3D Simulation für Tauchgang

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03.08.2012 09:18
Kategorie: News

Trocken-Tauchgang in 3D-Qualität

3D Unterwasserkamera - Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)
Navigation und Orientierung unter Wasser werden demnächst sehr viel einfacher. Die Lösung heißt 3D.

War ein gutes Briefing vor dem Tauchgang bisher von der Kreativität und der bildhaften Sprache des Tauchguides abhängig, könnte sich in naher Zukunft die komplexe Vorstellung eines Tauchgebietes viel einfacher durch 3D-Karten, Filme oder Modelle umsetzen lassen. Damit wird für Sporttaucher die Orientierung und Navigation sehr viel einfacher.

Forscher der Bremer Jacobs University testeten jetzt in Kooperation mit der Universität der Azoren erfolgreich ein neu entwickeltes 3D-Kamerasystem in felsigen Steilküstenarealen der portugiesischen Inselgruppe. Das neuartige System erstellt hochauflösende dreidimensionale Karten von komplexen Unterwasserarealen, indem es synchrone Videoaufnahmen von drei Einzelkameras durch intelligente Bild- und Informationsverarbeitung integriert.

Bisher wurde zur Tiefenkartierung von Gewässern Sonarsysteme eingesetzt, die Schallimpulse als Informationsquelle verwenden. Diese können jedoch keine vertikalen Klippen oder komplexen Strukturen erfassen und haben zudem eine sehr grobe Auflösung. Das Forscherteam unter der Leitung von Andreas Birk, Professor of Electrical Engineering and Computer Science und Leiter der Arbeitsgruppe Robotics an der Jacobs University, testeten das Kamerasystem mit Hilfe von Forschungstauchern der Universidade dos Açores in dem Küstengewässern um den erloschenen Vulkan Monte da Guia auf der Insel Faial. Dieses als Schutzzone klassifizierte Testareal zeichnet sich durch eine hohe strukturelle Komplexität mit steilen Felspartien sowie eine reichhaltige marine Fauna und Flora aus. Die Taucher führten insgesamt sechs 30- bis 60-minütige Tauchgänge durch, um sowohl die Feldtauglichkeit als auch die Datenerfassung und -verarbeitung des neuartigen Kamerasystems zu testen.

Wir sind mit den Ergebnissen hochzufrieden“, sagt Andreas Birk. „Zum einen funktionierte das Kamerasystem erstaunlich reibungslos. Die Taucher konnten die Kamera nach einer kurzen Einweisung problemlos bedienen. Zum anderen konnten wir Daten von extrem hoher Qualität gewinnen, die die komplexen 3D-Strukturen des Testareals sehr gut abbilden.“ Jacobs-Kamerasystem zur 3D-Unterwasserkartierung ist ein intelligentes Gesamtsystem mit drei Kameras, die perfekt synchronisiert dreidimensionale Videos aufnehmen. Zusätzlich ist ein Computer integriert, der aus den Stereo-Aufnahmen über Bildverarbeitung 3D-Scans errechnet. Diese Scans allein sind jedoch noch keine verwertbare 3D-Karte des untersuchten Areals. Die Herausforderung besteht darin, 3D-Scans, die an verschiedenen unbekannten Stellen aufgenommen wurden, rechnerisch zu einer schlüssigen 3D-Karte der gesamten untersuchten Umgebung zusammenzuführen.

Hierzu entwickelte die Jacobs Robotics Group spezielle Algorithmen, welche die Sensordaten der einzelnen Kameras in einen räumlichen Bezug zueinander bringen. Durch diese Kopplung der Daten entstehen hochaufgelöste Karten mit sehr hoher Informationsdichte. Ein zusätzliches rechnerisches Verfahren, das sogenannte „Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)“ korrigiert Messunsicherheiten, identifiziert bereits gescannte Bereiche und führt zu einer verbesserten Qualität der 3D-Karte. Aufgrund der kompletten Integration aller Komponenten in einem kompakten System kann die das Jacobs-3D-Kamerasystem auch sehr gut als intelligenter Sensor auf Tauchrobotern eingesetzt werden. Die Kamera verfügt für diesen Zweck über eine Datenschnittstelle, die eine Echtzeit-Übertragung von Informationen erlaubt.

Anwendungsbereiche für hochauflösende 3D-Karten von Unterwasserarealen sind zum Beispiel die Meeresforschung oder die Erdöl- und Gasförderung. Die Entwicklung des Jacob-3D-Kamerasystems ist Teil des EU-Projektes MORPH (Marine robotic system of self-organizing, logically linked physical nodes). Im Rahmen des Projekts arbeitet die Jacobs University mit neun Partnern aus Wirtschaft und Forschung zusammen. Darunter sind das Bremer Unternehmen ATLAS Elektronik, der Nationale Forschungsrat Italiens und das französische Meeresforschungsinstitut Ifremer.

Fragen zum neuen 3D-Kamerasystem beantwortet: Andreas Birk, Professor of Electrical Engineering & Computer Science. Email: a.birk@jacobs-university.de