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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Bewegungen
von Objekten. Bei den Objekten handelt es sich insbesondere um Personen oder
andere Lebewesen. Es kann sich bei den Bewegungsobjekten jedoch
auch um Gegenstände handeln.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung zum Analysieren
von Bewegungen von Objekten, ein Computerprogramm, das ausgestaltet
ist, das Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten auszuführen,
wenn es auf einem Computer oder Computersystem ausgeführt wird,
und einen Datenträger, auf dem das Computerprogramm gespeichert
ist, so dass es in den Arbeitsspeicher des Computers oder Computersystems
ladbar ist oder direkt auf dem Datenträger von dem Computer
oder Computersystem lesbar und ausführbar ist.
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DE 10 2005 004 086
A1 beschreibt ein Gerät zur Ermittlung von Bewegungen.
Das Gerät erfasst mittels mehrerer Bewegungssensoren die
Bewegungen im Raum. Die Messwerte mindestens einer Bewegungsdimension
werden mit den Messwerten mindestens einer anderen Bewegungsdimension
verrechnet. Eine Drehgeschwindigkeitsmessung wird mit einer linearen
Beschleunigungsmessung kombiniert. Drei lineare Beschleunigungsmessungen
werden kombiniert, um Beschleunigungen in drei korrigierte Raumrichtungen
umzurechnen.
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Wie
in der Druckschrift erwähnt wird, ist eine solche Umrechnung,
d. h. eine Transformation der Beschleunigungsmesswerte aus dem Koordinatensystem
der Messvorrichtung in ein korrigiertes Koordinatensystem nützlich,
um die Beschleunigungssensoren beliebig an dem Bewegungsobjekt anbringen zu
können. Auch gemäß der vorliegenden Erfindung wird
eine solche Transformation vorgenommen. Insbesondere wenn die Beschleunigungssensoren
an einer Person angebracht werden, ist es schwierig, die Richtungen
der Koordinatenachsen der Sensoren mit geeigneten Richtungen in
Bezug auf die Person auszurichten. Die drei Richtungen, die in Bezug
auf die Person meist von Interesse sind, sind die Richtungen vorne
bzw. hinten, links bzw. rechts und oben bzw. unten. Die letzt genannte
Richtung stimmt meist mit der Richtung der Gewichtskraft überein,
die im Gravitationsfeld der Erde auf die Person wirkt.
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Entsprechendes
gilt häufig aber nicht nur für Personen, sondern
auch für Tiere oder Gegenstände, deren Bewegungen
verfolgt und analysiert werden sollen.
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Die
Beschleunigungssensoren gemäß der vorliegenden
Erfindung können wie in der
DE 10 2005 004 086 A1 ausgeführt
sein. Z. B. können Mikrosensoren auf Basis von Siliziumstrukturen
eingesetzt werden. Solche Sensoren sind klein und leicht. Sie lassen
sich gemäß der Erfindung z. B. in elektronische
Geräte integrieren, die von Personen benutzt werden, z.
B. Mobiltelefone, Handheld-Computer oder dergleichen. Die Sensoren
können jedoch aufgrund der geringen Größe
auch in noch kleinere Geräteeinheiten integriert werden.
Z. B. kann eine solche Einheit lediglich die drei Beschleunigungssensoren
zur Messung der Beschleunigungswerte in einem kartesischen Koordinatensystem
und die erforderlichen Einrichtungen enthalten, um die Messwerte
für eine Auswertung verfügbar zu machen. Die Übertragung
der Messwerte von der Einheit kann z. B. drahtlos über
eine Funkschnittstelle erfolgen.
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Eine
Sensoreinheit, die Beschleunigungen in einem kartesischen Koordinatensystem,
d. h. in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen messen kann,
wird im Folgenden 3D-Beschleunigungssensor oder 3D-Sensor genannt.
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Dabei
sind die drei einzelnen Beschleunigungssensoren vorzugsweise eine
integrierte Einheit, z. B. in Form eines integrierten Schaltkreises. Sie
können jedoch auch aus separaten Einheiten zusammengesetzt,
d. h. mechanisch miteinander verbunden sein, oder alternativ ein örtlich
verteiltes System sein. Dabei können die einzelnen Sensoreinheiten
oder der gesamte 3D-Sensor auch aus einem einzelnen oder zusammengesetztem
Kamerasystem und/oder einer Kombination mit einem 3D-Beschleunigungssensor
bestehen, welches in zeitlicher Abfolge die Umgebung erfasst. Durch
die Änderung der optischen Bildinhalte und der Kenntnis über
die Kameraparameter lassen sich somit Bewegungsänderungen
wie Strecke, Geschwindigkeit und Beschleunigung ermitteln.
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Wie
zuvor erwähnt kann insbesondere durch eine am Objekt angeordnete
Kamera die Bewegung des Objekts erfasst werden. Dabei ist es nicht
nur möglich, durch Auswertung der von der Kamera erfassten
Bilder die Beschleunigungswerte der Bewegung des Objektes zu bestimmen.
Vielmehr können alternativ die Geschwindigkeit der Bewegung und/oder
die zurückgelegten Wegstrecken der Bewegung bestimmt werden.
Das später beschriebene Verfahren zum Analysieren von Bewegungen
von Objekten kann daher anstelle der 3D-Beschleunigungsmesswerte
Geschwindigkeitswerte und/oder Wegstreckenwerte, jeweils als dreidimensionale Werte
nutzen und in der im folgenden beschriebenen Weise in ein zweites
Koordinatensystem transformieren.
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Die
Analyse von Bewegungen ist für eine Vielzahl von Anwendungen
von Interesse. Bei Gegenständen kann z. B. durch Auswerten
der Beschleunigungsmesswerte die Bewegung des Gegenstandes zurückverfolgt
werden. Denkbar ist dies z. B. bei Gepäckstücken.
Bei der Auswertung der Beschleunigungsmesswerte kann durch Integration über
die Zeit zunächst die Geschwindigkeit und dann der zurückgelegte
Weg des Objekts berechnet werden. Um die Beschleunigungsmesswerte
für einen interessierenden Zeitraum zur Verfügung
stellen zu können, kann die erwähnte Einheit z.
B. einen geeignet dimensionierten Datenspeicher aufweisen, in dem
die Messwerte gespeichert werden.
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Bei
Personen soll z. B. die Bewegung des Fußes beim Laufen
analysiert werden (s. dazu
DE 10 2005 004 086 A1 , die auf die Thematik
näher eingeht). Andere Anwendungen bei Personen sind die Überwachung
der körperlichen Aktivität, z. B. bei an Diabetes
erkrankten Personen oder bei adipösen Personen. Außerdem
kann mittels der 3D-Sensoren bei sturzgefährdeten Personen
ein Sturz festgestellt werden. Der 3D-Sensor kann mit einer entsprechenden
Auswertungseinheit kombiniert werden, z. B. um den Kalorienverbrauch
oder den Sturz festzustellen. Bei Tieren, z. B. bei nachtaktiven
Tieren und/oder Haustieren kann durch Analyse der Bewegung, die mit
Hilfe des 3D-Sensors gemessen wird, festgestellt werden, wo sich
das Tier aufgehalten hat oder ob sich das Tier artgerecht verhalten
hat.
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Analyseverfahren
zum Analysieren der Bewegung zu den jeweiligen Zwecken sind bekannt
und werden hier lediglich in Bezug auf Anwendungsbeispiele beschrieben.
Z. B. kann bei Anbringung des 3D-Sensors am Schuh festgestellt werden,
ob die Gehbewegung oder Laufbewegung einer Person durch besondere
Ausgestaltung des Schuhs korrigiert werden soll. Näheres
hierzu ist in der
DE
10 2005 004 086 A1 beschrieben. Zur Bestimmung des Kalorienverbrauchs
kann die gemessene Bewegung mit bekannten Bewegungsmustern verglichen
werden. Z. B. findet eine Klassifikation einer Bewegungsphase statt
und wird abhängig von dem Ergebnis der Klassifikation entschieden,
ob sich die Person selbst bewegt hat oder bewegt wurde und welche Kalorienzahl
bzw. Energie die Person bei eigener Bewegung verbraucht hat. Dabei
kann der Kalorienverbrauch nicht nur abhängig von dem Bewegungstyp
(z. B. Gehen, Laufen, Schwimmen, Rudern, Radfahren und dergleichen)
ermittelt werden, sondern kann außerdem noch die konkret
gemessene Bewegungsinformation zusätzlich herangezogen
werden. Insbesondere können die Beschleunigungswerte daher
nicht nur zur Klassifikation der Bewegung sondern auch zur Auswertung
der Bewegung, z. B. zur Bestimmung des Kalorienverbrauchs pro Zeitintervall
ausgewertet werden. Aus den Beschleunigungsmesswerten lässt sich
ermitteln, ob die Person schnell gelaufen ist oder langsam, mit
dem Fahrrad einen Berg hinauf oder hinab gefahren ist oder schnell
oder langsam geschwommen ist.
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Bezüglich
der Transformation der Beschleunigungsmesswerte aus dem Koordinatensystem
des 3D-Sensors in ein geeignetes anderes Koordinatensystem ist aus
der
DE 10 2005
004 086 A1 entnehmbar, dass eine Richtung des transformierten,
zweiten Koordinatensystems die Richtung der Gewichtskraft des Objekts
ist. Ist das Objekt in Ruhe, lässt sich die Richtung der
Gewichtskraft unmittelbar aus den gemessenen Beschleunigungswerten
der drei Sensoren ermitteln, da die Richtung der Gewichtskraft mit der
Richtung des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes übereinstimmt.
Aber auch während sich das Objekt mit dem daran angebrachten
3D-Sensor bewegt, kann die Richtung der Gewichtskraft ermittelt
werden. Vorzugsweise werden Zeitintervalle der Beschleunigungsmesswerte
ausgewertet und durch zeitliche Mittelung die Richtung der Gewichtskraft bzw.
des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes ermittelt. Ausführungsbeispiele
werden noch beschrieben.
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Jedoch
ist das transformierte Koordinatensystem durch die Richtung der
Gewichtskraft noch nicht eindeutig festgelegt. Die zwei dazu senkrecht verlaufenden
Koordinatenachsen können noch frei gewählt werden.
Zumindest eine Richtung wird zur Festlegung des zweiten Koordinatensystems
noch benötigt. Die
DE 10 2005 004 086 A1 schlägt vor, zwei
so genannte Initialmessungen vorzunehmen. Hierzu wird eine Bewegung
des Objekts mit dem daran angebrachten 3D-Sensor ausgeführt.
Durch Auswertung der Bewegung wird die zweite Richtung, d. h. die
Richtung einer weiteren Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems
ermittelt.
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Nach
den Initialmessungen kann der Messbetrieb zum Erfassen von Bewegungen
des Bewegungsobjekts beginnen. Voraussetzung ist jedoch, dass sich
die Ausrichtung des 3D-Sensors relativ zu dem Bewegungsobjekt nicht ändert.
Nachteilig an der in
DE
10 2005 004 086 A1 beschriebenen Vorgehensweise ist daher,
dass für die Transformation des Koordinatensystems Initialmessungen
erforderlich sind. Solche Messungen kosten Zeit und werden daher
möglicherweise vergessen. Insbesondere wenn das Bewegungsverhalten
von Personen laufend vermessen werden soll, wird die Person nicht
dazu bereit sein, immer wieder Initialmessungen durchzuführen.
Z. B. kann der 3D-Sensor in ein elektronisches Gerät integriert
sein, das die Person am Körper trägt. Wenn die
Person das elektronische Gerät benutzt hat und wieder in
eine Tasche oder Halterung einbringt, die am Körper der
Person getragen wird, ändert sich die Ausrichtung des 3D-Sensors
in Bezug auf die Person. Aber auch bei Tieren oder Gegenständen
ist die wiederholte Durchführung von Initialmessungen in
vielen Fällen nicht praktikabel.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen von Objekten
anzugeben, mit denen die zuvor genannten Nachteile überwunden
werden. Insbesondere soll es möglich sein, ohne Initialmessungen,
die nicht zu der eigentlichen zu analysierenden Bewegung gehören,
auszukommen. Ferner gehört zum Umfang der vorliegenden Erfindung
ein Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens auf einem
Computer oder Computersystem sowie ein Datenträger, auf
den das Programm gespeichert ist, insbesondere in Form von digitalen
Daten.
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Die
vorliegende Erfindung geht insbesondere von dem Gedanken aus, dass
bei der Auswertung von Bewegungen auf Informationen über
frühere Bewegungen und/oder Informationen über
Bewegungstypen zurückgegriffen werden kann. Ein Vergleich
der zu analysierenden Bewegung mit solcher Information ist insbesondere
als Mustererkennung an sich bekannt. Abhängig von dem Vergleich
kann – wie oben bereits erwähnt wurde – die
zu analysierende Bewegung klassifiziert werden. Hierzu kann eine Mehrzahl
von vordefinierten Klassen existieren, von denen eine zur Klassifikation
der Bewegung ermittelt wird. Die Information kann auf verschiedene
Art vorliegen und der Vergleich kann dementsprechend in verschiedener
Weise durchgeführt werden. Z. B. kann eine Frequenzanalyse
von ein oder mehreren Komponenten des mit Hilfe des 3D-Sensors gemessenen
Beschleunigungsvektors durchgeführt werden. Beim Gehen
bzw. Laufen einer Person ist es z. B. charakteristisch, dass die
Frequenz der beim Gehen ausgeführten Rechts-Links-Beschleunigungen halb
so groß ist, wie die Frequenz der Vor-Zurück-Beschleunigungen,
wenn der 3D-Sensor im Bereich der Hüfte der Person getragen
wird.
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Der
Bereich der Hüfte ist ein häufiger Trageort. Z.
B. kann der 3D-Sensor an einem Gürtel oder am Hosenbund
getragen werden, oder er kann in ein Gerät integriert sein,
dass dort getragen wird. Auch die Unterbringung des 3D-Sensors in
einer Hosentasche platziert ihn im Bereich der Hüfte.
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Es
wird nun vorgeschlagen, die Mustererkennung nicht oder nicht nur
zum Zweck der Auswertung der Bewegung vorzunehmen, sondern um die Richtung
der zweiten Achse des transformierten Koordinatensystems zu bestimmen.
Die Richtung der ersten Achse des zweiten Koordinatensystems verläuft
in Richtung des Gravitationsfeldes und wird aus den Messwerten des
3D-Sensors ermittelt. Wenn hier von der ersten und der zweiten Koordinatenachse
des transformierten Koordinatensystems die Rede ist, so dient dies
lediglich zur eindeutigen Bezeichnung der Achsen. Eine Reihenfolge
und damit eine bestimmte Orientierung des transformierten Koordinatensystems
ist damit nicht festgelegt.
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Wie
erwähnt kann die Mustererkennung auf sehr verschiedene
Weise stattfinden. Anschaulich betrachtet ist die Richtung der zweiten
Achse des transformierten Koordinatensystems, in das die Beschleunigungsmesswerte
transformiert werden, die Richtung einer bestimmten, ausgezeichneten
Richtung der Bewegung. Ausgezeichnet ist die Richtung durch für
die Bewegung typische Merkmale. Z. B. beim Gehen einer Person bietet
es sich an, die Vorwärtsrichtung, in die die Person geht,
als ausgezeichnete Bewegungsrichtung zu bezeichnen. Diese ausgezeichnete
Bewegungsrichtung wird auch als Hauptbewegungsrichtung oder Hauptbewegungsachse
bezeichnet. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, beim Gehen
die Vorwärtsrichtung als Richtung der zweiten Achse des
transformierten Koordinatensystems zu wählen. Z. B. könnte
auch die senkrecht dazu verlaufende und ebenfalls senkrecht zur Richtung
des Gravitationsfeldes verlaufende Rechts-Links-Richtung als Richtung
der zweiten Koordinatenachse gewählt werden. Wichtig ist
es nur, für gleichartige Bewegungen immer dieselbe Richtung
für die zweite Koordinatenachse zu wählen. Dies
ermöglicht es insbesondere, die Bewegungen miteinander
zu vergleichen oder zumindest in gleicher Weise auszuwerten.
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Wenn
davon die Rede, dass zur Bestimmung dieser Richtung eine Mustererkennung
durchgeführt wird, dann muss dies nicht im Rahmen einer
Klassifikation, d. h. durch Ermittlung eines Bewegungstyps erfolgen.
Vielmehr reicht es aus, die Richtung mit Hilfe von Informationen über
eine andere Bewegung als die zu analysierende Bewegung zu bestimmen.
Die Richtung, z. B. die Hauptbewegungsrichtung, kann in Bezug auf
die andere Bewegung definiert sein. Z. B. kann die andere Bewegung
ebenfalls eine Gehbewegung sein. Wenn bekannt ist, dass die Bewegungen hinsichtlich
der Bewegungsart einander entsprechen oder gleichen, kann unter
Nutzung der Informationen über die andere Bewegung die
dafür definierte Richtung als zweite Richtung in die zu
analysierende Bewegung übertragen werden. Somit liegt die
zweite Richtung auch für die zu analysierende Bewegung fest
und kann die Transformation der Bewegungsmesswerte aus dem Mess-Koordinatensystem
in das transformierte Koordinatensystem durchgeführt werden.
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Insbesondere
wird folgendes vorgeschlagen:
Ein Verfahren zum Analysieren
von Bewegungen von Objekten, insbesondere von Gegenständen,
Personen oder anderen Lebewesen, wobei Beschleunigungsmesswerte
bezüglich drei orthogonal zueinander verlaufenden Achsen
eines ersten Koordinatensystems vorliegen und wobei:
- – die Beschleunigungsmesswerte in ein zweites Koordinatensystem
transformiert werden,
- – für die Transformation in das zweite Koordinatensystem
aus den Beschleunigungsmesswerten die Richtung eines Gravitationsfeldes
ermittelt wird, in dem die Bewegung stattfindet oder stattgefunden
hat,
- – die Richtung des Gravitationsfeldes als die Richtung
einer ersten Achse des zweiten Koordinatensystems gewählt
wird,
- – die Richtung einer zweiten Achse des zweiten Koordinatensystems
aus einem Vergleich der Beschleunigungsmesswerte oder daraus abgeleiteter
Bewegungsinformationen einerseits mit vorhandener Informationen über
eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp andererseits ermittelt
wird.
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Bei
Personen kann das transformierte Koordinatensystem in vielen Fällen
als bezüglich der Person oder eines charakteristischen
Bereichs der Person (z. B. der Hüfte) als unveränderliches
Koordinatensystem definiert werden. Allerdings kann es abhängig
von dem Bewegungstyp dazu kommen, dass der Körperteil,
an dem der 3D-Sensor angebracht ist, eine rotatorische Bewegungskomponente
hat, so dass er sich im Gravitationsfeld anders ausrichtet. In diesem
Fall wird es bevorzugt, dass die zu analysierende Bewegung in verschiedene
Zeitabschnitte unterteilt wird, in denen jeweils ein anderes transformiertes
Koordinatensystem gewählt wird. Die Übergänge
zwischen diesen Zeitabschnitten sind durch die Zeitpunkte der rotatorischen
Bewegungskomponente definiert.
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Da
sich die Ausrichtung des Körperteils, relativ zu dem der
3D-Sensor an den Körper positioniert ist, in gewissen Grenzen
laufend ändern kann, ist die Richtung der ersten Koordinatenachse
des transformierten Koordinatensystems, d. h. der Koordinatenachse,
die in Richtung des Gravitationsfeldes ausgerichtet werden soll,
nicht exakt definiert. Dennoch erhält man mit der Transformation
der Beschleunigungsmesswerte in das transformierte Koordinatensystem
sehr viel besser und genauer auswertbare Ergebnisse, wenn die Richtung
der ersten Koordinatenachse durch Bestimmung eines über
einen Zeitraum gemittelten Gravitationsbeschleunigungsvektors vorgenommen
wird. Allgemeiner formuliert werden daher über den Verlauf
der zu analysierenden Bewegung wiederholt oder kontinuierlich Bewegungsmesswerte
ausgewertet, um die Richtung des Gravitationsfeldes zu bestimmen
und die erste Achse des zweiten Koordinatensystems festzulegen.
Vorzugsweise werden zur kontinuierlichen Auswertung Bewegungsmesswerte
jeweils gleitend über einen Zeitraum ausgewertet, insbesondere
gemittelt, wobei der Zeitraum jeweils an einem aktuellen Zeitpunkt
der Bewegungsmessung endet und in die Vergangenheit zurückgeht.
Insbesondere kann dieser sich gleitend verschiebende Zeitraum, der
jeweils auf den aktuellen Zeitpunkt der Bewegungsmessung bezogen
ist, immer gleich lang sein. Bei Bewegungsmesswerten mit konstanter
Abtastrate der Sensoren wird beispielsweise immer eine gleich große
Anzahl aufeinander folgender Messwerte ausgewertet. Bei der Mittelung
können die über den Auswertungszeitraum verteilten
Messwerte gleich oder unterschiedlich gewichtet werden. Dies hängt
insbesondere auch von der Art der Bewegung ab.
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Die
Mittelung über den Auswertungszeitraum, um die Richtung
der ersten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems
zu ermitteln, hat aber nicht nur den oben erwähnten Vorteil. Außerdem
können aus einer Drehung dieser Richtung in Bezug auf das
Mess-Koordinatensystem Informationen über die Bewegung
gewonnen werden. Es kann so beispielsweise auf einfache Weise erkannt
werden, dass vor und nach der Drehung Bewegungen gemäß verschiedenen
Bewegungstypen ausgeführt werden bzw. wurden.
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Bei
der aus den Beschleunigungsmesswerten abgeleiteten Bewegungsinformation
für die Ermittlung der zweiten Achse kann es sich z. B.
um die Geschwindigkeit der Bewegung handeln, aus deren Richtung
sich in einfacher Weise eine ausgezeichnete Richtung der Bewegung
ergibt, um eine Frequenz von Komponenten des gemessenen Beschleunigungsvektors
oder um eine andere Information, die es für einen bestimmten
Bewegungstyp erlaubt, die Richtung der zweiten Achse zu bestimmen,
oder den Bewegungstyp festzustellen.
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Im
Gegensatz zu der
DE
10 2005 004 086 A1 , sind die für den Vergleich
verwendeten Beschleunigungsmesswerte Messwerte der zu analysierenden
Bewegung. Es handelt sich daher nicht um Messwerte von Initialmessungen.
Allerdings ist es grundsätzlich auch möglich,
solche Initialmessungen durchzuführen und für
die Bestimmung der Richtung der zweiten Achse zu nutzen. Dabei ist
jedoch zu berücksichtigen, dass die Initialmessung möglicherweise
einem anderen Bewegungstyp unterliegt, als die eigentliche zu analysierende
Bewegung. Anders ausgedrückt setzt die erfindungsgemäße
Lösung nicht voraus, dass sich die Ausrichtung des 3D-Sensors zum
Bewegungsobjekt zwischen Initialmessung und eigentlicher Messung
nicht ändert. Vielmehr kann auch bei einer solchen Änderung
der relativen Ausrichtung zumindest vor und nach der Änderung
jeweils eine Richtung einer zweiten Achse des zweiten Koordinatensystems
unmittelbar aus den Messdaten bestimmt werden.
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Insbesondere
ist es daher möglich, den Vergleich und die Transformation
in das zweite Koordinatensystem nach Abschluss der zu analysierenden Bewegung
durchzuführen. Bei Initialmessungen muss dagegen zunächst,
bevor die eigentliche Messung beginnt, die zweite Richtung zur Festlegung
des transformierten Koordinatensystems bestimmt werden. Stellt sich
nämlich später heraus, dass die Initialmessung
nicht erfolgreich war, z. B. weil bestimmte Anforderungen nicht
erfüllt wurden, kann die gesamte zu analysierende Bewegung
nicht in der Weise wie in
DE 10 2005 004 086 A1 beschrieben ausgewertet werden.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1:
schematisch einen 3D-Beschleunigungssensor, das kartesische Koordinatensystem des
Sensors und ein transformiertes Koordinatensystem,
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2:
schematisch eine Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen von
Objekten, wobei die Figur in der Art eines Flussdiagramms auch das erfindungsgemäße
Verfahren veranschaulicht,
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3:
ein Diagramm, das Beschleunigungsmesswerte mit zwei Komponenten
in einer etwa horizontalen Ebene beim Laufen einer Person zeigt,
wobei der 3D-Beschleunigungssensor in der rechten Hosentasche getragen
wurde,
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4:
Messwerte für eine Bewegung wie bei 3, wobei
jedoch der 3D-Beschleunigungssensor in der linken Hosentasche getragen
wurde,
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5:
Bewegungsmesswerte einer Laufbewegung ähnlich der von 3 und 4,
wobei jedoch der Sensor an der Gürtelschnalle im Hüftbereich
der Person getragen wurde,
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6:
ein Diagramm, das zwei Komponenten von gemessenen Beschleunigungswerten
in einer etwa horizontalen Ebene darstellt, wobei die Bewegung dadurch
stattfindet, dass die Person, welche den Sensor trägt,
in einem Straßenkraftfahrzeug fährt.
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1 zeigt
einen 3D-Sensor S, der als Würfel dargestellt ist und drei
Beschleunigungssensoren aufweist. Diese drei Sensoren messen die
Komponenten des Gesamt-Beschleunigungsvektors in Richtung der drei
Koordinatenachsen x, y, z eines kartesischen Koordinatensystems,
das bezüglich dem Sensor ruht.
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Mit
g ist der Gravitationsbeschleunigungsvektor eines Gravitationsfeldes
bezeichnet, in dem sich der Sensor S befindet. Mit der Richtung
des Beschleunigungsvektors g fällt die Richtung der Koordinatenachse
x' zusammen, die die erste Koordinatenachse eines transformierten
Koordinatensystems ist. Die weiteren Koordinatenachsen des transformierten Koordinatensystems
sind mit y' und z' bezeichnet und in 1 durch
gestrichelte Linien mit einem Pfeil an dem Ende der Linie dargestellt.
Die Messwerte des Messkoordinatensystems x, y, z sind mit A1 (x-Achse),
A2 (y-Achse) und A3 (z-Achse) bezeichnet. Bei diesen Messwerten
handelt es sich um Beschleunigungsmesswerte des Sensors S.
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Der
Sensor S kann z. B. in ein elektronisches Gerät integriert
sein und/oder an dem Bewegungsobjekt befestigt sein.
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Analysieren
der Bewegung auf Basis von 3D-Beschleunigungsmesswerten eines 3D-Sensors.
Bei dem Sensor S kann es sich z. B. um den Sensor gemäß 1 handeln.
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Wie
schematisch links in 2 dargestellt ist, weist der
3D-Sensor S drei einzelne Beschleunigungssensoren 15a, 15b, 15c auf,
die wiederholt, insbesondere zyklisch mit konstanten Zeitabständen, Messwerte
der Beschleunigung bezüglich der drei Achsen eines kartesischen
Koordinatensystems x, y, z (z. B. des nicht transformierten Koordinatensystems
gemäß 1) messen. Der Messwert A1 des Sensors 15a ist
z. B. der Messwert der x-Achse, der Messwert A2 des Sensors 15b der
Messwert der y-Achse und der Messwert A3 des Sensors 15c der Messwert
bezüglich der z-Achse.
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Über
eine Signalverbindung zwischen dem Sensor S und einer Ermittlungseinrichtung 10 werden
die Messwerte A1, A2, A3 an die Einrichtung 10 übertragen.
Die Signalverbindung kann drahtlos und/oder drahtgebunden realisiert
werden. Auch können zwischen dem 3D-Sensor S und der Einrichtung 10 weitere
Einrichtungen oder Einheiten angeordnet sein, z. B. eine Aufbereitungseinrichtung
zur Aufbereitung der Rohmesswerte der Sensoren 15a, 15b, 15c (z.
B. um systematische Messfehler zu korrigieren und entsprechende
korrigierte Messwerte an die Einrichtung 10 auszugeben).
Auch kann der 3D-Sensor S z. B. in einer gemeinsamen Baueinheit (z.
B. einem elektronischen Gerät, z. B. ein Mobiltelefon)
mit einer Funkübertragungseinrichtung zum Übertragen
der Messwerte A1, A2, A3 verbaut sein. In dem Ausführungsbeispiel
der 2 wäre die Einrichtung 10 in
diesem Fall mit einer entsprechenden Empfangseinrichtung zum Empfangen
der Funksignale kombiniert. Es ist aber auch möglich, dass
die Einrichtung 10 in derselben Einheit verbaut ist wie der
3D-Sensor S. Das Gleiche gilt für die weiteren in 2 dargestellten
Einrichtungen, auf die noch näher eingegangen wird. Entweder
können alle Einrichtung, die in 2 dargestellt
sind, in einer gemeinsamen Einheit verbaut sein (z. B. das erwähnte
elektronische Gerät) oder es befindet sich die Grenze (z.
B. die Funkschnittstelle) der Baueinheit des 3D-Sensors zwischen
diesem und der Einrichtung 10, zwischen der Einrichtung 10 und
der Einrichtung 12 oder zwischen der Einrichtung 12 und
der Einrichtung 14.
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Die
Ermittlungseinrichtung 10 ermittelt aus den Beschleunigungsmesswerten
A1, A2, A3 die Richtung eines Gravitationsfeldes, in dem die Bewegung
eines Bewegungsobjekts stattfindet, an dem der 3D-Sensor S angeordnet
ist. Auf ein Ausführungsbeispiel, wie die Ermittlung vorgenommen
wird, wird noch näher eingegangen. Die so ermittelte Richtung
des Gravitationsfeldes gibt die Einrichtung 10 zusammen
mit den Messwerten A1, A2, A3 als Richtung der ersten Koordinatenachse
x' des transformierten Koordinatensystems an die Einrichtung 12 aus,
die eine Vergleichseinrichtung ist.
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Die
Vergleichseinrichtung 12 hat Zugriff auf einen Datenspeicher 11,
in dem Informationen über eine andere Bewegung oder über
einen Bewegungstyp gespeichert sind. Aus einem Vergleich der Beschleunigungsmesswerte
A1, A2, A3 oder daraus abgeleiteter Bewegungsinformation einerseits
mit der in dem Datenspeicher 11 abgelegten Information andererseits
ermittelt die Vergleichseinrichtung 12 die Richtung einer
zweiten Achse y' des transformierten Koordinatensystems.
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In
der hier beschriebenen Ausführungsform übernimmt
die Vergleichseinrichtung 12 auch die Koordinatentransformation.
Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Koordinatentransformation
wird noch näher beschrieben. An einem Ausgang der Vergleichseinrichtung 12 liegen
daher die in das zweite, transformierte Koordinatensystem x', y',
z' transformierten Beschleunigungsmesswerte R1, R2, R3 an. Diese transformierten
Messwerte werden einer Analyseeinrichtung 14 zugeführt,
die die Bewegung anhand der transformierten Messwerte analysiert.
Z. B. ermittelt die Analyseeinrichtung 14, welche Energie
eine Person für die Bewegung verbraucht hat, die durch
das Aufnehmen der Messwerte, A2, A3 vermessen wurde.
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Zusätzlich
zu den transformierten Messwerten R kann die Vergleichseinrichtung 12 auch
weitere Informationen an die Analyseeinrichtung 14 ausgeben,
insbesondere die Information, um welchen Bewegungstyp oder um welche
Bewegungstypen es sich bei der vermessenen Bewegung handelt. Z.
B. kann die Vergleichseinrichtung 12 eine Bewegungsmustererkennung
durchführen, d. h. die für einen bestimmten Bewegungstyp
charakteristischen Muster in der vermessenen Bewegung identifizieren.
Daraus ermittelt die Vergleichseinrichtung wie erwähnt
die Richtung der zweiten Achse des transformierten Koordinatensystems.
Die so erhaltene Information über den Bewegungstyp und
optional außerdem die oben bereits erwähnte Hauptbewegungsachse übermittelt sie
an die Analyseeinrichtung 14, die daher nicht mehr eine
Mustererkennung ausführen muss. Die Analyseeinrichtung 14 kann
die Information über den Bewegungstyp unmittelbar bei der
eigentlichen Analyse der Bewegung verwenden. Z. B. ist der Kalorienverbrauch
für die Bewegung 0, wenn sie aus dem Bewegungstyp ermittelt,
dass sich die Person nicht selbst bewegt hat, sondern bewegt wurde.
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Es
wird nun ein Ausführungsbeispiel für die Koordinatentransformation
beschrieben.
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Es
findet eine Transformation der Beschleunigungs-Messwerte aus dem
kartesischen Koordinatensystem x, y, z des Mess-Sensors (Ausgangskoordinatensystem)
in das transformierte Koordinatensystem x', y', z' statt. Die transformierte
Achse x' entspricht der Richtung des Beschleunigungsvektors des
Erdgravitationsfeldes.
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Der
Vektor
zeigt in Richtung des Beschleunigungsvektors
des Gravitationsfeldes und ist bereits normiert, d. h. hat den Betrag
1. Seine in der Spaltenschreibweise übereinander stehenden
Komponenten g1, g2, g3 sind Komponenten im Ausgangs-Koordinatensystem. Wirkt
außer der Erdbeschleunigung keine andere Beschleunigung,
sind die Komponenten die Messwerte der drei einzelnen Beschleunigungssensoren
des 3D-Sensors. Der Vektor
bezeichnet die zweite Koordinatenachse
des transformierten Koordinatensystems. Dieser Vektor ist unter
Verwendung der Informationen über eine andere Bewegung
oder einen Bewegungstyp zu bestimmen, z. B. durch Mustererkennung.
Seine Komponenten y1, y2, y3 sind ebenfalls auf das Ausgangs-Koordinatensystem
bezogen. Wird zunächst ein beliebiger Vektor x ~
definiert,
der senkrecht zu dem Vektor x' steht, gilt:
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Dabei
werden die Komponenten des Vektors x ~
so gewählt, dass sein
Betrag 1 ist. Für den Vektor z' in Richtung der dritten
Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems gilt:
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Die
Gleichung gibt das Kreuzprodukt der Vektoren x', y' an. Für
einen gemessenen Vektor
dessen Komponenten m1, m2,
m3 Beschleunigungsmesswerte im Ausgangs-Koordinatensystem sind, gelten
die folgenden Beziehungen:
m1 = <m – x,
y> = (m1 – x1)·y1
+ (m2 – x2)·y2 + (m3 – x3)·y3 =
(m1 – x1)·x2 + (m2 – x2)·(–x1)
m2 = <m – x,
x> = (m1 – x1)·x1
+ (m2 – x2)·x2 + (m3 – x3)·x3
m3 = <m – x,
z> = (m1 – x1)·z1
+ (m2 – x2)·z2 + (m3 – x3)·z3 =
(m1 – x1)·(–x1 ·x3) + (m2 – x2)·(–x2·x3)
+ (m3 – x3)·(x2·x2 + x1·x1)
-
Dabei
bedeutet < > das Skalarprodukt
der Vektoren, die in den eckigen Klammern durch ein Komma getrennt
sind. „m – x” ist ein Differenzvektor der
Vektoren m und x. Mittels dieser Normierung wird ein Messvektor
ohne Einfluss der Gravitation generiert. Das Zeichen · ist
das Multiplikationszeichen.
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Der
Vektor x' wird aus der vermessenen Bewegung ermittelt. Dazu werden
die Komponenten des Vektors über die Zeit gemittelt, wobei
aktuelle Messwerte gewichtet in die Mittelwertberechnung einfließt.
Der Vektor x' mit den Komponenten x1, x2 x3 kann exemplarisch wie
folgt berechnet werden: x'neu =
a·m2 + b·x'alt, d.
h. der Wert x'neu des aktuell Verarbeitungszyklus
ist gleich der Summe aus den mit den Faktoren a und b gewichteten
Summanden, wobei die Summanden die Komponente m2 des aktuellen Messwertes
in Richtung von x' und der Wert x'alt des
vorangegangenen Verarbeitungszyklus sind.
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Hierbei
sind a und b so zu wählen, dass ihre Summe a + b gleich
1 ist. Die Parameter a und b werden vorzugsweise abhängig
von der Abtastfrequenz des 3D-Sensors (der so genannten Samplingrate) gewählt.
Z. B. hat sich a = 0,01 für die Samplingrate 20 Hz bewährt.
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Ein
wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
durch die Transformation unter Berücksichtigung von Informationen über
eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp bei der
eigentlichen Analyse der Bewegung eine höhere Genauigkeit
erzielt werden kann, da eine unerwartete, fehlerhafte oder geänderte
Ausrichtung des 3D-Sensors in Bezug auf das Bewegungsobjekt erkannt
wird und bei der Transformation berücksichtigt wird.
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Im
Folgenden wird auf Beispiele von Bewegungen eingegangen.
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3 zeigt
die Messwerte einer Laufbewegung einer Person in der Ebene, die
senkrecht zu der Richtung des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes
steht. Die horizontale Achse des Koordinatensystems in 3 ist
ungefähr in Links/Rechts-Richtung der Laufbewegung ausgerichtet,
d. h. etwa senkrecht zu der eigentlichen Laufrichtung. Die vertikale
Achse in 3 ist daher ungefähr
in Vorwärts/Rückwärts-Richtung der Laufbewegung
ausgerichtet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich der
3D-Sensor beim Laufen in der Hosentasche der Person befand, d. h.
im Bereich der Hüfte angeordnet war. Der 3D-Sensor hat
daher nicht die Bewegung des Massenschwerpunktes unmittelbar gemessen,
sondern war seitlich vom Massenschwerpunkt angeordnet. Charakteristisch
für die Laufbewegung ist in einem solchen Fall, dass der
3D-Sensor bestimmte Bewegungszyklen ausführt, aus denen
man erkennen kann, in welcher Hosentasche sich der Sensor befunden
hat, rechts oder links vom Massenschwerpunkt. Dargestellt sind in 3 und
den folgenden Figuren Linien, die jeweils zwei zeitlich aufeinander
folgende Messwerte des 3D-Sensors verbinden. Die Messwerte befinden
sich daher an den Stellen, wo die Linie scharf abknickt. Außerdem
ist in 3 und den folgenden Figuren jeweils die Hauptbewegungsachse
durch eine Gerade dargestellt, die der Richtung der zweiten Koordinatenachse
des transformierten Koordinatensystems entspricht.
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Bei
der Bewegung, die den Messwerten in 3 zugrunde
liegt, befand sich der 3D-Sensor in der rechten Hosentasche der
Person. 4 zeigt eine Laufbewegung, bei
der sich der Sensor in der linken Hosentasche befand. Man erkennt
in 3, dass die Verbindungslinien zwischen den Messpunkten
in ihrem Gesamtbild einer 9 ähneln. Da sich der 3D-Sensor
bei der 4 zugrunde liegenden Messung
in der Hosentasche auf der gegenüber liegenden Seite befunden
hat, bilden die Linien in 4 eine um
eine vertikale Achse gespiegelte 9.
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5 zeigt
Beschleunigungsmesswerte beim Laufen der Person, wobei jedoch der
3D-Sensor in Gegensatz zu den Bewegungen der 3 und 4 in
der Körpermitte vor dem Massenschwerpunkt an der Gürtelschnalle
eines im Hüftbereich getragenen Gürtels getragen
wurde.
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Die
in 3 und 4 sowie auch in 5 eingezeichnete
Hauptbewegungsachse wurde mittels einer Frequenzanalyse bestimmt.
Dabei wird die Information über den Bewegungstyp ”laufen” verwendet,
wonach die Frequenz der Rechts/Links-Bewegung halb so groß ist
wie die Frequenz der Vor/Zurück-Bewegung. Z. B. wird für
eine angenommene Ausrichtung des Koordinatensystems in der Ebene Rechts/Links
und Vor/Zurück, wie sie z. B. in den 3 und 4 dargestellt
ist, mittels Fourier-Transformation ermittelt, wie gut dieses Verhältnis
der doppelt so großen bzw. halb so großen Bewegungsfrequenz
erfüllt ist. Dieser Erfüllungsgrad wird durch
eine Zahl bewertet. Dieses Verfahren wird für andere Ausrichtungen
des Koordinatensystems Rechts/Links und Vor/Zurück wiederholt
und die Übereinstimmung mit dem Prinzip der doppelten Frequenz
wird wiederum bewertet. Das dabei gefundene Optimum, d. h. die Ausrichtung
des Koordinatensystems mit der besten Bewertungszahl wird als korrekte Ausrichtung übernommen.
Dabei ist die Richtung Vor/Zurück die Hauptbewegungsrichtung
und damit die Richtung der zweiten Koordinatenachse des transformierten
Koordinatensystems.
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6 zeigt
Messwerte eines 3D-Sensors, der von einer Person getragen wurde,
während die Person in einem Straßenkraftfahrzeug
gefahren ist.
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Bei
der passiven Bewegung eines Objekts in einem Straßenkraftfahrzeug
kann die Hauptbewegungsachse durch das charakteristische, mit Hilfe des
3D-Sensors gemessene Bewegungsmuster festgestellt werden. Bei der
Bestimmung des Bewegungs-Typs besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass
Beschleunigungsvorgänge aus der Ruhe in die Richtung der
Hauptbewegungsachse zeigen. Ebenso wahrscheinlich ist es, dass Verzögerungen
bis zum Stillstand ebenfalls in die Richtung der Hauptbewegungsachse
zeigen. Die Hauptbewegungsachse wird daher vorzugsweise unter Berücksichtigung
dieser hohen Wahrscheinlichkeiten ermittelt. Durch die daraus entstehende
Kenntnis der Achsenlage ist man z. B. in der Lage, die Straßensituation
(Autobahn, Landstraße, Fahren innerorts von geschlossenen
Ortschaften etc.) besser zu identifizieren. Der Bewegungstyp „Autofahren” wird
grundsätzlich zum Beispiel dadurch erkannt, dass das Verhältnis
der Horizontalbeschleunigung zur Vertikalbeschleunigung ausgewertet
wird und mit einem für dieses Bewegungsmuster typischen
Wert verglichen wird. Außerdem kann eine für das
Autofahren typische Vibration identifiziert werden, z. B. indem
die Frequenzen der Vibration des Bewegungsobjektes als für
das Autofahren typische Frequenzen identifiziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005004086
A1 [0003, 0006, 0011, 0012, 0013, 0014, 0015, 0027, 0028]