Bildsynchrone Messdatenerfassung und -analyse mit LabVIEW

Author(s):
Johann Wassermann - Institut für Maschinendynamik und Messtechnik, Technische Universität Wien

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabVIEW, Machine Vision, Data Acquisition

The Challenge:
In komplexeren Messaufgaben ist für eine zuverlässige Messdatenanalyse eine begleitende Notiz von prozess- oder messablaufbestimmenden Geschehnissen erforderlich. Am Beispiel einer Untersuchung des Fahrverhaltens von Testpersonen im Straßenverkehr wird dieses Problem erläutert.

The Solution:
Parallel zur Aufzeichnung der Messdaten wird mit Hilfe eines Videorekorders das für die Messaufgabe interessierende Umfeld mit mehreren Videokameras synchron aufgezeichnet. Zur Durchführung der Datenanalyse können die am Rechner gespeicherten Messdaten bildsynchron über ein LabVIEW-Programm abgespielt werden. Dadurch ist eine zuverlässige und ökonomische Messdatenanalyse möglich.

Einleitung

Die PC-Messtechnik ermöglicht eine sehr flexible Anpassung an ein jeweiliges Messproblem. Unter Berücksichtigung einiger wichtiger Grundprinzipien der digitalen Signalverarbeitung (z. B. Aliasing) können damit sehr preisgünstig die interessierenden Messsignale für eine spätere Analyse abgespeichert werden. Bei komplexeren Aufgabenstellungen oder Prozessen sind jedoch die über die einzelnen Sensoren erfassten Messsignale nicht immer ausreichend, um im Nachhinein eine zuverlässige Analyse durchführen zu können. Für solche Analysen sind zusätzliche Informationen zumindest hilfreich wenn nicht sogar unbedingt erforderlich. Ein Beispiel für eine solche komplexe Aufgabenstellung ist die Analyse des Fahrverhaltens von Personen im öffentlichen Straßenverkehr. Dabei wird das Fahrverhalten von den zu untersuchenden Personen entlang einer speziell ausgewählten Teststrecke (Stadtverkehr, Autobahn, Abbiegespuren, Zubringer etc.) von einem mitfahrenden Verkehrspsychologen beobachtet. Zur Objektivierung der Begutachtung ist eine begleitende Messtechnik im Personenwagen installiert. Dabei werden unter anderem die Geschwindigkeit, die Längs- und Querbeschleunigung des Fahrzeugs und einige Statussignale, wie z. B. Blinker, Hupe, Bremslichter etc., mit Hilfe der PC-Messtechnik abgespeichert.

Um die einzelnen Messsignale bei einer anschließenden Analyse wirtschaftlich interpretieren zu können, werden zusätzlich bis zu vier Videokameras eingesetzt. Eine Kamera liefert die Bilder der Sicht in Fahrtrichtung, die zweite Kamera zeigt das Gesicht der Testperson, im Besonderen deren Augenbewegung. Die dritte Kamera zeigt den Pedalbereich, speziell die Bewegungen der Füße der Testperson bzw. die Bereitschaft für ein Bremsmanöver und die vierte Kamera zeigt den Verkehr hinter dem Testauto. Diese Videosignale werden mit einem Videorekorder auf einem VHS-Band abgespeichert. Mit dieser optischen Zusatzinformation durch die Videokameras können im Nachhinein die einzelnen Messsignale,beispielsweise die eingeleitete Verzögerung im Hinblick auf die momentane Fahrsituation, die Reaktionszeit, der Verlauf der Verzögerungsamplitude etc. ausgewertet werden. Dieses videounterstützte PC-Meßdatenerfassungssystem wurde in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für Schutz und Sicherheit (KuSS) an der Technischen Universität Wien entwickelt.

Messsystem

In Abbildung 1 ist der prinzipielle Aufbau des videounterstützten PC-Meßdatenerfassungssystems dargestellt. Das System besteht aus einem Notebook, einer Messdatenerfassungskarte (NI, DAQCard-1200), einem Messdatenerfassungsprogramm (NI, LabVIEW) und bis zu vier Videokameras. Die vier Videosignale werden mit einem „Splitter“ zu einem Videobild gemischt und über einen Videorekorder mit Timecode-Funktion (Grundig, GV660) auf einem VHS-Band abgespeichert. Der Großteil der bereits erwähnten Statussignale wird direkt vom Steckverbinder eines Unfalldatenschreibers (UDS) abgegriffen. Mit Hilfe einer externen Tastatur können durch den begleitenden Verkehrspsychologen per Tastendruck zeitsynchrone Marker für ein auffälliges Fahrverhalten mit abgespeichert werden. Die Synchronisation zwischen allen gespeicherten Daten auf der Festplatte des Rechners und den Kamerasignalen am Videoband erfolgt über dem „Rapid Time Code“ und einem programmierten Bildzähler. Der „Rapid Time Code“ ist ein Bildzähler im Format h:mm:ss:ff, wobei ff die Nummerierung der Video-Vollbilder ist. Er wird direkt vom Videorekorder als Zeitcode auf das Videoband gespeichert.

Datenspeicherung

Die Fernsteuerung des Videorekorders und die Steuerung der Datenspeicherung erfolgt mit dem Programm SAF_store.vi. Das Programm wurde auf einer grafischen Oberfläche mit dem „Graphical User Interface“ (GUI) des Messdatenerfassungsprogrammes LabVIEW entwickelt. Nach dem Programmstart wird ein separates Informationsfile (file_name.inf) mit allen wichtigen Versuchdaten (Datum, Namen von Versuchsperson und Begutachter, Versuchsbeschreibung, gewählte Abtastrate, Nummer des zugehörigen Videobandes etc.) erstellt. Vor Beginn der Datenabspeicherung, die über die Spezialtastatur gestartet werden kann, ist ein Funktionstest aller Messsignale mit grafischer Anzeige möglich. Während der Datenspeicherung im Versuch werden die grafischen Anzeigen deaktiviert, um möglichst hohe Abtastraten ohne Speicherüberlauf auf der Messdatenerfassungskarte zu erzielen. 

Die elektrischen Signale werden als „Record“ in einem Binary-file (file_name.bin) mit einer Abtastfrequenz von 200 Hz gespeichert Der Vorteil der Abspeicherung im „Record-Format“ liegt im sehr schnellen, eleganten Zugriff auf einen Datensatz beim Analysieren der Daten und dem Synchronisieren mit den Videosignalen. Es kann damit nummeriert auf einen Datensatz, bestehend aus Videobildnummer, Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Quer- und Längsbeschleunigung, Tastencode, Statuscode und evtl. weiteren Messsignalen (z. B. Pedalkräfte), zugegriffen werden (Abb. 2).
Die Abtastfrequenz wird standardmäßig mit 200 Hz gewählt. Sie ist ein Kompromiss zwischen einer guten Zeitauflösung für eine spätere Datenanalyse und einer vernünftigen Dateigröße. Beispielsweise ergibt eine Testfahrt von eineinhalb Stunden ein Binary-File mit etwa 44 Mbyte. Ein Nachteil der Verwendung des preisgünstigen Videorekorders GV660 ist, dass der „Rapid Time Code“ während der Aufnahme nicht gleichzeitig ausgelesen und damit im Datenfile synchron abgespeichert werden kann. Diese Problem wurde durch eine einfaches Interface, das in den Videorekorder integriert wurde, gelöst.Dieses Interface generiert, abgeleitet vom vertikalen Synchronisationsimpuls des Videosignals, ein digitales Signal, das im Programm für die Bildzählung verwendet wird. 

Datenanalyse

Das Videosignal hat eine Zeitauflösung von 25 Vollbildern pro Sekunde (PAL Standard). Für die Analyse mit den Videosignalen wird das originale Binary-File auf diese Zeitauflösung komprimiert. Es werden dabei acht Records mit Hilfe einer Konverterroutine (bin2vcr.vi) auf einen Record reduziert. Dies führt zu einer Verkleinerung des Binary-Files von 44 Mbyte auf etwa 6.4 Mbyte. Mit diesem Format und dieser Dateigröße ist es möglich, die Messdaten mit den Videosignalen im normalen Abspielmodus des Videorekorders zu synchronisieren. Im oberen Teil der Abb. 3 ist als Beispiel eine Videobildsequenz von zwei Bildern dargestellt. Diese Sequenz zeigt das Drücken einer Taste auf der speziellen Tastatur. Im unteren Teil der Abb. 3 wird mit der Stufe dieser Tastendruck angezeigt. Der blaue Pfeil markiert dabei die aktuelle Position. Links unten kurz vor dem Tastendruck ist der Pegel noch logisch „NULL“ im rechten unteren Teilbild steigt der Pegel synchron mit dem darauffolgenden Bild auf logisch „EINS“. Die ansteigende Linie (violett) zeigt die Linearität, mit der die Messdaten zu den zugehörigen Videobildern synchronisiert werden. 

Für eine Verwendung der Messdaten mit voller Zeitauflösung (5 ms) in einem textorientierten Programm, z. B. EXCEL, kann das Binary-File mit einer weiteren Konverterroutine bin2txt.vi in ein Textfile konvertiert werden. Im Textformat steigt der Speicherplatzbedarf von 44 Mbyte auf etwa 54 Mbyte.

Zum Auffinden von Versuchspassagen oder speziellen Verhaltensmustern können während einer videounterstützten Analyse im vorhandenen Datenfile durch einen erweiterten Record (Abb. 4) mit Hilfe der Maus Marker gesetzt werden. Dieser erweiterte Datensatz wird als neues File file_name.vcm nach Abschluss der Analyse abgespeichert. Es dient als Basis für weitere, teilweise in anderen Programmpaketen durchgeführten Detailanalysen.

Zusammenfassung

Die PC-Messtechnik bietet eine sehr flexible und preisgünstige Unterstützung in der Versuchs- und Messtechnik. Bei komplexen Aufgabenstellungen reichen jedoch für eine effiziente Datenanalyse händisch oder akustisch aufgezeichnete Zusatzinformationen über den Versuchs- oder Messablauf nicht aus, besonders wenn es sich um zeitkritische oder sehr lange andauernde Vorgänge handelt. Für solche Aufgaben bietet sich die Aufzeichnung von visuellen Zusatzinformationen über Videokameras an.

Wichtig dabei ist, eine zuverlässige Synchronisation der verschiedenen Speichermedien (Videoband und Datenfile) bei der Analyse zu gewährleisten. Sowohl die Datenspeicherung (SAV_Store.vi) samt Fernsteuerung des Videorecorders als auch die Synchronisation bei der Analyse (SAV_Read.vi) wurden unter Verwendung des Programmpaketes LabVIEW entwickelt, mit Ausnutzung der sehr leistungsfähigen Messkarten-Treiber und Libraries sowie der zum Grossteil automatisierten Dokumentation selbsterstellter Routinen. Für das gezeigte Beispiel kann sich der Verkehrspsychologe auf die ihm gestellte Aufgabe, das Beurteilen des Fahrverhaltens der Testperson, konzentrieren ohne von der zeitraubenden Arbeit einer Messsignal-Videosignalzuordnung abgelenkt zu werden. 

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Johann Wassermann
Institut für Maschinendynamik und Messtechnik, Technische Universität Wien
Wien

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