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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erfassen einer bevorzugt 3-dimensionalen Rundumansicht einer sich bewegenden menschlichen oder tierischen Körperoberfläche.
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Bei Sicherheitsüberprüfungen von Personen, beispielsweise an Flughäfen, Bahnhöfen oder Gebäuden werden üblicherweise Metalldetektoren eingesetzt. Diese sind jedoch nicht in der Lage, nicht aus Metall bestehende Gegenstände, beispielsweise keramische Messer, aus keramischen Werkstoffen gefertigte Schusswaffen oder Sprengstoffe zu detektieren. Während das Gepäck von Fluggästen in der Regel durch Röntgenstrahlung analysiert wird, kann eine ionisierende Röntgenstrahlung bei der Überprüfung der Fluggäste aufgrund der Gesundheitsgefährdung nur bedingt zum Einsatz kommen.
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In den letzten Jahren wurden deshalb auf Mikrowellenstrahlung basierende Vorrichtungen und Systeme entwickelt, welche eine schnelle und zuverlässige Sicherheitsüberprüfung von Personen ermöglichen. Ein solches auf einer Mikrowellenstrahlung basierendes System ist beispielsweise aus der
US 6,965,340 B1 bekannt.
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Überdies ist aus der
DE 10 2010 014 880 A1 bekannt, die erfassten Bilddaten nicht direkt, sondern indirekt über ein Modell abzubilden und als Computeranimation darzustellen. Dadurch wird die Privatsphäre der zu untersuchenden Personen gewahrt.
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Körperscanner, die eine Körperoberfläche in Echtheit scannen können, um eine 3D-Rundumansicht zu erhalten ohne bewegungsunscharfe Aufnahmen bereitzustellen, benötigen Abbildungssysteme mit einer Messzeit geringer als 1 Millisekunde und Bildwiederholraten großer 10 Hertz. Derartige Systeme sind technisch sehr schwer zu realisieren und überdies kostenintensiv, sodass deren Einsatz fraglich ist.
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Die
EP 2 204 671 A1 beschreibt ein kameraunterstütztes Sensorabbildungssystem und ein Mehraspektabbildungssystem, das im Mikrowellen-, Millimeterwellen- und/oder Terahertz-Frequenzbereich betreibbar ist.
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Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist das Erfassen einer Rundumansicht einer Körperoberfläche insbesondere beim Durchlaufen eines Wandelgangs. Problematisch ist dabei, dass die sich bewegende Körperoberfläche nicht in Echtzeit aufgenommen werden kann, da speziell die Gliedmaßen der menschlichen oder tierischen Körperoberfläche eine zu hohe Bewegungsgeschwindigkeit aufweisen, um bewegungsscharf erfasst zu werden. Das Erfassen sollte mit einfachen technischen Mitteln realisierbar und kostengünstig sein.
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Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß Hauptanspruch 1 sowie einer Vorrichtung gemäß nebengeordnetem Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen näher erläutert.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Erfassen einer Rundumansicht einer sich bewegenden menschlichen oder tierischen Körperoberfläche gelöst. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: Ermitteln einer Bewegungsgeschwindigkeit zumindest eines Bereichs der Körperoberfläche und Erfassen zumindest des Bereichs der Körperoberfläche zu einem Zeitpunkt, zudem der Wert der Bewegungsgeschwindigkeit dieses Bereichs einen definierten Stellwert unterschreitet.
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Unter 3D-Rundumansicht wird eine dreidimensionale Darstellung einer menschlichen oder tierischen Körperoberfläche verstanden, die die Körperoberfläche zumindest in einem groben Raster vollständig darstellt.
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In vorteilhafter Weise kann somit die Körperoberfläche eines sich bewegenden menschlichen oder tierischen Körpers, beispielsweise beim Durchlaufen eines Wandelgangs, erfasst werden. Problematisch ist dabei die hohe Bewegungsgeschwindigkeit einzelner Bereiche der Körperoberfläche, die mit bestehenden Erfassungs-Einrichtungen nicht bewegungsscharf abgebildet werden kann. Werden an diesen Bereichen Objekte versteckt, würden diese bei Sicherheitsüberprüfungen unentdeckt bleiben.
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Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Bewegungsgeschwindigkeit einzelner Bereiche der Körperoberfläche zu ermitteln und erst zu einem Zeitpunkt zu erfassen, zu dem die Geschwindigkeit einen definierten Schwellwert unterschreitet. Ein bewegungsunscharf aufgenommener Bereich wird somit vermieden. Das Unterschreiten des Schwellwertes erfolgt insbesondere in einem Punkt der Bewegungsrichtungsumkehr eines zu erfassenden Bereichs, da exakt in dem Punkt die Bewegungsgeschwindigkeit auf null sinkt. Ein Erfassen in diesem Punkt der Bewegungsrichtungsumkehr ist daher erfindungsgemäß anzustreben.
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Bevorzugt wird vor dem Schritt des Ermittelns ein bereits mittels Mikrowellenstrahlen erfasster Bereich der Körperoberfläche anhand eines 3-dimensionalen Modells markiert. Der Schritt des Erfassens betrifft überdies einen unerfassten Bereich der Körperoberfläche zum Zweck des Komplettierens einer 3D-Rundumansicht. Das Erfassen erfolgt insbesondere mittels Mikrowellenstrahlung.
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Mit Komplettieren der 3D-Rundumansicht wird erfindungsgemäß verstanden, dass die entsprechend einer Vergleichskörperfläche angegebenen Bereiche möglichst vollständig erfasst worden sein sollen. Sind Bereiche der 3D-Rundumansicht nicht erfasst, die gemäß Vergleichskörperfläche zu erfassen sind, so ist erfindungsgemäß ein Erfassen der unerfassten Bereiche anzustoßen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die 3D-Rundansicht anhand eines dynamischen 3D Modells mittels Verfolgungssensoren, im Folgenden auch Trackingsensoren genannt, erstellt. Das Modell ist insbesondere dynamisch, wenn beim Durchlaufen der Körperoberfläche durch den Wandelgang das Modell hinsichtlich zu erfassender Bereiche verändert und am Ende des Wandelgangs eine komplett erfasste Körperoberfläche erhalten wurde.
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Zum Ermitteln der Bewegungsgeschwindigkeit werden Positions- und/oder Bewegungsvektoren einzelner Bereiche der Körperoberfläche ausgewertet. Dies ist insbesondere für das Finden eines Null-Punktes in einem Bewegungsablauf des jeweiligen Bereichs sinnvoll und effizient, um das Unterschreiten des Schwellwertes zu ermitteln.
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Insbesondere wird vor dem Schritt des Markierens ein Schritt des Auswertens durchgeführt, wobei das Auswerten ein Vergleich der tatsächlich erfassten Körperoberfläche mit einer Vergleichsoberfläche umfasst. Eine Vergleichsoberfläche ist dabei eine rudimentäre Körperoberfläche, die die zu erfassenden Bereiche umfasst, wobei mittels des Vergleiches festgestellt wird, inwieweit Bereiche noch nicht erfasst sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung werden bereits erfasste bewegungsunscharfe Bereiche der Körperoberfläche als nicht erfasste Bereiche markiert. Damit wird sichergestellt, dass diese bewegungsunscharfen Bereiche erneut gescannt werden, um möglicherweise in diesem Bereich der Körperoberfläche versteckte Objekte detektieren zu können.
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Das Verfahren ist insbesondere dazu geeignet, körperfremde Objekte an der Körperoberfläche zu detektieren. Dies sind insbesondere Waffen, Sprengstoff und/oder Schmuggelware, die in einer bevorzugten Ausgestaltung nichtmetallisch sind.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Vorrichtung zum Erfassen einer 3D-Rundumansicht einer sich durch einen Wandelgang bewegenden menschlichen oder tierischen Körperoberfläche vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst zumindest einen Trackingsensor, eingerichtet zum Verfolgen einer, zu erfassender Körperoberfläche innerhalb des Wandelgangs. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Markierungseinheit, eingerichtet zum Markieren von Bereichen der Körperoberfläche und das Platzieren von Positions- und Bewegungsvektoren an den jeweiligen Bereichen. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen zumindest eines Bereichs der Körperoberfläche, zu einem Zeitpunkt, zu dem der Wert der Bewegungsgeschwindigkeit dieses Bereichs einen definierten Schwellwert unterschreitet.
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Die Vorrichtung weist weiterhin eine Auswerteinheit auf, die eingerichtet ist, um die Positions- und Bewegungsvektoren derart auszuwerten, dass der Zeitpunkt bestimmbar ist.
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Insbesondere ist die Erfassungseinrichtung eine Mikrowelleneinheit, eingerichtet zum Erfassen des zu erfassenden Bereichs.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Trackingsensor eine 3-dimensionale 3D-Kamera und/oder eine TOF-Kamera. TOF-Kameras sind 3D-Kamerasysteme, die mit dem Laufzeitverfahren, englisch Time of Flight, kurz TOF, Distanzen messen. Dazu wird der Wandelgang mittels eines Lichtpulses ausgeleuchtet, und die Kamera misst für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zur Körperoberfläche und wieder zurück benötigt. Die benötigte Zeit ist direkt proportional zur Distanz. Die TOF-Kamera liefert somit für jeden Bildpunkt die Entfernung der Körperoberfläche. Aus der Zeit und der Distanzmessung kann nunmehr auf die Bewegungsgeschwindigkeit jedes einzelnen Bildpunktes rückgeschlossen werden. Mit einer TOF-Kamera kann eine ganze Szene auf einmal aufgenommen werden ohne abgetastet werden zu müssen. Insbesondere ist eine Mehrzahl von Trackingsensoren vorgesehen, um eine ideale Auswertung der Körperoberfläche zu ermöglichen.
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Insbesondere ist vorzugsweise eine Mehrzahl von Erfassungs-Einrichtungen vorgesehen, um die 3D-Rundumansicht zu erstellen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind einzelne Bestandteile übertrieben groß, bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt. Gleichwirkende Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
- 1 ein Verfahrensablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine erfindungsgemäße Vergleichskörper-Oberfläche;
- 3 eine erfindungsgemäße 3D-Rundumansicht eines menschlichen Körpers mit unerfassten Bereichen;
- 4 eine erfindungsgemäß komplettierte 3D-Rundumansicht;
- 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Optionale Schritte sind dabei gestrichelt dargestellt und stellen bevorzugte Ausführungsvarianten des Verfahrens dar.
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Zunächst wird die Bewegungsgeschwindigkeit 10 eines Bereichs 2 einer Körperoberfläche in einem Schritt A ermittelt. In einem Vergleichsschritt C wird verglichen, ob die ermittelte Bewegungsgeschwindigkeit 10 einen definierten Schwellwert unterschritten hat. Das Unterschreiten des Schwellwerts erfolgt dabei insbesondere in einer Bewegungsrichtungsumkehr des Bereichs 2, bei der die Bewegungsgeschwindigkeit 10 auf einen Minimalwert gesunken ist. In einem solchen Zeitpunkt kann das Erfassen des Bereichs 2 erfolgen, ohne dass der erfasste Bereich 2 bewegungsunscharf ist. Ggf. können Objekte 4, die an dem zu erfassenden Bereich 2 entdeckt werden sollten, unentdeckt bleiben.
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Anzuwenden ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere, wenn sich eine Person 11 durch einen Wandelgang 9 bewegt und beispielsweise aufgrund der natürlichen Fortbewegung die Unterschenkel oder Arme vergleichsweise hohe Bewegungsgeschwindigkeiten 10 zum Torso aufweisen. Derartig hohe Bewegungsgeschwindigkeiten 10 können nicht ohne großen technischen Aufwand von den mikrowellenstrahlbasierten Erfassungs-Einrichtungen 8 bewegungsscharf erfasst werden. Um technisch einfache Systeme zu ermöglichen, ist das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden.
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Ergibt der Vergleichsschritt C, dass die Bewegungsgeschwindigkeit 10 des zu erfassenden Bereichs 2 der Körperoberfläche einen Schwellwert überschreitet, erfolgt kein Erfassen B des Bereichs 2, sondern es wird erneut die Bewegungsgeschwindigkeit 10 ermittelt. Kann aufgrund der hohen Bewegungsgeschwindigkeit 10 der Bereich 2 nicht erfasst werden, kann dies in der 3D-Rundumansicht 1 sofort erkannt werden und eine Person 11 aufgefordert werden, sich langsamer durch den Wandelgang 9 zu bewegen oder alternativ separat untersucht zu werden.
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Ergibt der Vergleichsschritt C in einem alternativen Fall, dass der Schwellwert für die Bewegungsgeschwindigkeit 10 unterschritten wurde, erfolgt sofort ein Erfassenschritt B, in welchem der Bereich 2 der Körperoberfläche erfasst wird.
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In bevorzugten Ausführungen des Verfahrens gemäß 1 sind weiterhin die Schritte D, E und F vorgesehen. Gemäß Schritt D wird zunächst eine Körperoberfläche bezüglich bereits erfasster Bereiche 2a markiert. In einem Folgeschritt E werden unerfasste Bereiche 2b der Körperoberfläche erkannt. Speziell diese unerfassten Bereiche 2b sind erfindungsgemäß mittels dieses Verfahrens zu erfassen. In einem abschließenden Schritt F erfolgt das Komplettieren der Körperoberfläche um eine komplette 3D-Rundumansicht zu erhalten.
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Durch das Erfassen B dieser unerfassten Bereiche 2b wird eine unvollständig erfasste Körperoberfläche komplettiert, um sicherstellen zu können, dass an der Körperoberfläche keine Objekte 4 angeordnet sind, die im Rahmen einer Sicherheitsüberprüfung entdeckt werden müssen.
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Es ist dabei im Erfindungsgrundgedanken eingeschlossen, dass durch das Erfassen B der unerfassten Bereiche 2b auch bereits erfasste Bereiche 2a erneut erfasst werden. In einer Auswerteinheit 12 wird entschieden, ob die erneut erfassten Bereiche 2a in der 3D-Rundumansicht 1 der Körperoberfläche aktualisiert werden sollten oder schlichtweg zu verwerfen sind, da der erfasste Bereich 2a bereits dargestellt ist.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Vergleichskörperfläche 6 dargestellt. Die Vergleichskörperfläche ist in einem Koordinatensystem 7 dargestellt. Spezielle Bereiche 2 einer Körperoberfläche sind andeutungsweise skizziert. Im vorliegenden Fall sind neben dem Torso sowohl der Kopf als auch vier Gliedmaßen eines menschlichen Körpers als Vergleichsoberfläche 6 abgebildet. Jeder dieser sechs Bereiche 2 der Körperoberfläche umfasst einen Bewegungsvektor 5. Im vorliegenden Fall ist der Bewegungsvektor 5 gleichzeitig ein Positionsvektor, da er bezogen auf das Koordinatensystem 7 abgebildet ist. Die in 2 dargestellte Vergleichsoberflächen 6 sind beispielhaft, insbesondere können wesentlich mehr Bereiche 2 vorgesehen sein, die mit einzelnen Beschleunigungs- und Positionsvektoren 5 versehen sind, um eine feinere Körperoberfläche abzubilden.
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In 3 ist eine unvollständig umfasste 3D-Rundumansicht 1 einer Person 11 dargestellt. Hierbei sind Bereiche 2 als erfasste Bereiche 2a markiert. Wie zu erkennen ist, sind darüber hinaus vier Bereiche 2b dargestellt, die als nichterfasst markiert sind. Dies liegt beispielsweise daran, dass sich die Person 11 noch am Beginn eines Wandelgangs 9 befindet und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Vergleichsschritt C noch keinen Beschleunigungswert 10 ermitteln konnte, der unterhalb des Schwellwerts lag.
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Am Torso des Körpers, einem bereits erfassten Bereich 2a der Körperoberfläche, ist ein Objekt 4 dargestellt, welches nur aufgrund der mit Mikrowellenstrahlung arbeitenden Erfassungs-Einrichtung 8 erkennbar ist. In diesem Fall würde die Person 11 die Sicherheitsüberprüfung nicht unaufgehalten passieren können.
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Wäre das Objekt 4 nicht vorhanden, würde eine derartige 3D-Rundumansicht 1 einer Körperoberfläche dazu verwendet werden, die Person 11 die sich im Wandelgang 9 befindet, passieren zu lassen. In einem derartigen Fall ist aber nicht sichergestellt, dass in den unerfassten Bereichen 2b weitere Objekte 4 vorhanden sind, die dann unentdeckt bleiben würden. Um das sicher ausschließen zu können, müssen auch die unerfassten Bereiche 2b bewegungsscharf erfasst werden. Dies wird mit dem vorangegangen beschriebenen Verfahren ermöglicht.
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Gemäß 4 ist nunmehr eine komplettierte Körperoberfläche 1 in 3D-Rundumansicht dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind nunmehr auch die gemäß 3 noch nicht erfassten Gliedmaßen mittels der Erfassungs-Einrichtung 8 erfasst und es wird eine komplettierte Körperoberfläche erhalten. Unter komplettiert wird insbesondere verstanden, dass alle Bereiche 2, die gemäß einer Vergleichskörperfläche 6 zu erfassen sind, auch tatsächlich durch Mikrowellenstrahlung erfasst wurden.
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In 4 ist zu erkennen, dass am linken Schienbein ein weiteres Objekt 4 detektiert wurde. Überdies wurde auch am rechten Unterarm ein weiteres Objekt 4 detektiert. Als zu detektierende Objekte 4 sind insbesondere nichtmetallische Schusswaffen, Stichmesser, Sprengstoffe und/oder Schmuggelware zu verstehen. Durch das Entdecken dieser Objekte 4 wird eine Person 11 in einer Sicherheitsüberprüfung enttarnt und kann entsprechend aufgehalten werden.
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In 5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen einer 3D-Rundumansicht eines menschlichen oder tierischen Körpers dargestellt. Dabei bewegt sich eine Person 11 durch einen Wandelgang 9. Der Wandelgang 9 ist hier in Draufsicht dargestellt. Die Person bewegt sich entsprechend des Pfeils in Bewegungsrichtung 10, von rechts nach links. In den Ecken des Wandelgangs 9 sind jeweils Trackingsensoren 3 angeordnet. Die Trackingsensoren umfassen insbesondere eine 3D-Kamera 3a und/oder eine TOF-Kamera 3b. Die Anzahl der Trackingsensoren 3 ist hier nicht beschränkend, es können durchaus mehr Trackingsensoren 3 eingesetzt werden. Die Trackingsensoren 3 dienen dazu, die Bewegungsgeschwindigkeit 10 der Person 11 zu ermitteln und zu verfolgen.
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Aus den Daten der Trackingsensoren 3 wird ein dynamisches 3D-Modell mit Position- und Bewegungsvektoren 8 der Modellelemente gemäß 2 erzeugt. Während des Durchlaufs der Person 11 durch den Wandelgang 9 werden mittels der Erfassungs-Einrichtungen 8 Millimeterwellenaufnahmen der Person 11 durchgeführt. Die von diesen Aufnahmen ausgeleuchteten Körperbereiche 2 werden in dem dynamischen 3D-Modell der Person 11 markiert. Wird mit einer Auswerteinheit 12 festgestellt, dass unerfasste Bereiche 2b der Körperoberfläche vorhanden sind, wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet. Dazu werden die unerfassten Bereiche 2b markiert und die Bewegungs- bzw. Positionsvektoren 5 ausgewertet. In einem Zeitpunkt, in dem die Bewegung unterhalb eines Schwellwertes sinkt wird mittels der Erfassungs-Einrichtung 8 ein Bereich 2 der Körperoberfläche 1 erfasst, wodurch die 3D-Rundumansicht 1 komplettiert wird. Die komplettierte 3D-Rundumansicht 1 wird mittels einer Anzeigeeinheit 13 dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, weitere Millimeterwellenaufnahmen der Person 11 auszulösen, wenn erstens signifikant bisher nicht erfasste Bereiche 2b der Person 11 in einem Zeitmoment mittels des Erfassungssystems 8 erfasst werden können und zweitens der erfasste Bereich 2b eine Bewegungsgeschwindigkeit 10 aufweist, die das Erfassen B und damit Aufnehmen des Bereichs 2b ohne Bewegungsunschärfe zulässt. Somit wird eine Triggerung der Bildaufnahmen in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit 10 der unerfassten Bereiche 2b angefertigt. Somit wird sichergestellt, dass keine Bewegungsunschärfe enthalten ist. Auf diese Weise kann eine Vorrichtung erhalten werden, welche mit einer hohen Auflösung und vollständiger Ausleuchtung einer Person 11 arbeitet. Gleichzeitig bleiben technisch und finanziell aufwändige Messungen und Rekonstruktionszeitreduktionen erhalten.
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Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden. Z. B. können anstatt von TOF-Kameras auch beliebig andere Kameras verwendet werden.