3D VISION AND MODELING

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1 ALLGEMEIN AIT erforscht und entwickelt im Rahmen des Research Services "3D Vision and Modeling" Technologien des räumlichen Erfassens mit Methoden der Bildverarbeitung. Innovative 3D Sensorsysteme ermöglichen eine Fülle von neuen Anwendungen in den Bereichen Transport (Assistenzsysteme, autonome Systeme), industrielle Automation und Inspektion sowie Überwachung. Es müssen daher grundlegende Problemstellungen, wie z.b. 3D Rekonstruktion der Umgebung Objekterkennung, -klassifizierung und -tracking präzise Vermessung von Objekten Selbstlokalisierung des Sensorsystems Pfad und Bewegungsplanung zuverlässig, schnell und effizient mit vergleichsweise kostengünstiger Bildverarbeitungstechnologie gelöst werden. Dazu werden unter anderem Algorithmen für Stereovision, Optischer Fluss, Simultanous Localization and Mapping, Pfad- und Bewegungsplanung und Visual 3D Reconstruction erforscht und auf ein effizientes Laufzeitverhalten in Echtzeitumgebungen hin optimiert. KNOW-HOW UND TECHNOLOGIE Neben einem soliden Grundlagen- und Methodenpool ist die Systemkompetenz der entscheidende Faktor zur erfolgreichen Technologieumsetzung. Das Know-How von 3D Vision and Modeling erstreckt sich von Auswahl, Auslegung und Aufbau geeigneter Sensorsysteme über Algorithmenentwicklung und optimierte Umsetzung auf energieeffizienten eingebetteten Systemen bis zur anwendungsspezifischen Auswertung und Integration in übergeordnete komplexe Systeme. THEMENFELDER & REFERENZPROJEKTE Wir fokussieren uns auf folgende Themen mit hohem Innovationspotential: Autonomous Land Vehicles Airborne Vision Measuring the World Echtzeit 3D Rekonstruktion mit Stereovision

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3 AUTONOMOUS LAND VEHICLES ALLGEMEIN Sensorsysteme zur 3D Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs ermöglichen die zuverlässige und fahrerunabhängige Erkennung von Hindernissen und der möglichen Fahrwege und stellen daher eine wesentliche Komponente für Assistenzsysteme von Fahrzeugen dar. Das Spektrum an Fahrzeugen umfasst dabei Schienenfahrzeuge (Züge, Straßenbahnen), Straßenfahrzeuge (Autos, Lastkraftwagen) aber auch Fahrzeuge in der Bau- und Landwirtschaft (Bagger, Traktoren, etc.). Wesentliches Ziel ist dabei die Erhöhung der Sicherheit durch die Unterstützung des Fahrers aber auch eine Verbesserung der Effizienz und Reduktion der Betriebskosten. Die verfügbaren Technologien ermöglichen auch die Realisierung von zunehmned autonom agierenden Fahrzeuge. SEMI-AUTONOME KONVOIFÜHRUNG UND SI- CHERE KONTROLLE AUTONOMER FAHRZEUGE Im Rahmen des österreichischen Sicherheitsforschungsprogramm KIRAS (gefördert durch das Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT)) werden Technologien für fahrerlos betriebene Landfahrzeuge entwickelt. Dadurch soll in gefährlichen Umgebungen der Verlust von Menschenleben vermieden werden. Mögliche Einsatzbereiche sind eine sichere und zuverlässige Führung von Nachschub- und Rettungskonvois in gefährdeten Zonen, oder der Einsatz von Spezialfahrzeugen und Maschinen in zivilen Katastrophenszenarien. Der Projektkontext bedingt eine Reihe von technologischen Schwerpunktsetzungen in der Forschung: eine robuste aber kostengünstige Fahrzeugumfeldsensorik mit Kameras, das Erstellen von 3D Echtzeitmodellen der Fahrzeugumgebung sowie autonome Pfad- und Bewegungsplanung. Es werden Lösungen für eine präzise Navigation trotz eingeschränkter GPS Verfügbarkeit entwickelt, die einen hohen Innovationsgehalt haben. INNOVATIVES FAHRERASSISTENZSYSTEM FÜR DIE INTELLIGENTE STRASSENBAHN DER ZU- KUNFT Das AIT Austrian Institute of Technology entwickelt gemeinsam mit Schienenfahrzeugweltmarktführer Bombardier Transportation ein Fahrerassistenzsystem, das auf die besonderen Anforderungen von Schienenfahrzeugen hinsichtlich Reduktion der Kollisionsgefahr ausgerichtet ist. Dabei erfasst die Straßenbahn, alle Objekte (Fahrzeuge, Personen, etc.) im bzw. in der Nähe des Fahrwegs und beurteilt selbständig das Gefahrenpotential, um entsprechend darauf reagieren zu können oder den Fahrer zu warnen. Damit wird die Straßenbahn-Sicherheit revolutioniert. 3D Vision für autonome Pfadplanung: Das Sensorsystem modelliert die Fahrzeugumgebung in 3D und erstellt eine aktuelle Karte.

4 AIRBORNE VISION ALLGEMEIN Unbemannte Luftfahrzeuge haben sich in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt und sollen zunehmend in den zivilen Luftraum integriert. Dabei müssen zukünftige autonome Systeme über nahezu menschliche Fähigkeiten für Maßnahmen zur Sicherheit, beispielsweise um Kollisionen in der Luft und am Boden beim Start- oder Landevorgang zu vermeiden, verfügen. AIT erforscht speziell diese Maßnahmen um autonome Systeme zukünftig sicher in den zivilen Luftraum integrieren und zertifizieren zu können. Eine weitere Kernkomponente stellen Zulassungsverfahren v.a. optischer Systeme für Assistenzsysteme sowie die entsprechende Nachweisführung dar. KOLLISIONSVERMEIDUNGSSYSTEME FLUGOBJEKTE FÜR Zukünftige autonome Systeme erfordern die Notwendigkeit eines Kollisionsvermeidungssystem vor allem für autonome Anwendungen. Dieses System hat zur Aufgabe die Erkennung von kooperativen und nicht-kooperativen Objekten im Luftraum sowie entsprechender Ausweichmanöver um Kollisionen zu vermeiden. SELBSTLOKALISIERUNG FÜR FLUGOBJEKTEN Weltweit werden globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) zur Bestimmung von Position und Zeit in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Dabei werden die Position und Zeit des Empfängers durch Entfernungsmessung zu mehreren Satelliten bestimmt. Die Funktionalität kann unter anderen durch atmosphärische Störungen oder Störsendern entsprechend beeinträchtigt, unterbunden oder manipuliert werden. Das AIT wird eine Technologie eines optischen Navigationssystems entwickeln, die es ermöglicht, Position und Lage eines Luftfahrzeugs durch Analyse von georeferenzierten digitalen Orthofotos zu ermitteln. Sie stellt eine Ergänzung oder Alternative zu GNSS dar. AUSGEWÄHLTE ANWENDUNGEN Konkrete Anwendung finden diese Systeme im Bereich des Krisen- und Katastrophenmanagements zur schnellen Lagebilderstellung, z.b. bei Bränden, Überschwemmungen, Lawinen oder Großveranstaltungen, wenn es darum geht, gefährdete Personen zu lokalisieren oder die Ausbreitung gefährlicher Gase zu bestimmen.

5 MEASURING THE WORLD ALLGEMEIN Die bei AIT entwickelte, stereokamerabasierte 3D-Sensortechnologie sowie die auf den erfassten 3D-Messdaten aufbauenden Methoden und Algorithmen zur präzisen 3D- Vermessung und 3D-Modellierung werden bereits sehr erfolgreich in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen und zur Realisierung einer Vielzahl unterschiedlichster Applikationen eingesetzt. Speziell im Bereich der präzisen 3D-Objektvermessung erschließt sich für die AIT-3D-Sensortechnologie ein besonders weites Anwendungsfeld. So eignet sich das stereokamerabasierte Messprinzip besonders gut zur 3D-Vermessung und 3D-Modellierung von beinahe beliebigen Objektvolumina und 3D-Objektgeometien, und durch den Einsatz eines zusätzlichen Lichtmusterprojektors können sogar schwach oder nicht texturierte Objektoberflächen präzise vermessen werden. Auch die für die jeweilige Applikation erforderliche Messgenauigkeit kann mit Hilfe eines entsprechend dimensionierten Stereokamerasetups geeignet angepasst und optimiert werden. Somit konnte AIT beispielsweise bereits sehr zuverlässige, stereokamerabasierte 3D-Messsysteme in den Anwendungsbereichen industrielle Automation, präzise 3D-Vermessung und Modellierung von Werkstücken und Baugruppen, 3D-Inspektion, Qualitätssicherung sowie Steuerung und Regelung von Fertigungsprozessen entwickeln und implementieren. 3D DENTALSCANNER In Zusammenarbeit mit unserem Partner a.tron3d ist es dem AIT-Team gelungen, im Anwendungsbereich der Zahnmedizin und Kieferorthopädie einen miniaturisierten, ergonomisch geformten, handgeführten, stereokamerabasierten 3D-Dentalscanner zu entwickeln, mit dem nun die für den Patienten sehr unangenehme Gebissabdruckabnahme mithilfe der für diesen Einsatz sonst üblichen Abdruckmasse ersetzt werden kann. Die vom 3D-Dentalscanner aufgenommenen Bilddaten werden über USB zum Beispiel an ein handelsübliches Notebook übertragen und dort in Echtzeit verarbeitet und die für den Zahnarzt relevanten Ergebnisse auf einem Bildschirm dargestellt. Auch der nachfolgende Arbeitsablauf zur Anfertigung eines entsprechend benötigten Zahnersatzes wie z.b. Zahnkronen, Inlays, Zahnbrücken usw. sowie auch die Planung und Umsetzung einer Zahnregulierung kann durch die unmittelbar vorliegenden 3D-Messdaten des Gebisses signifikant zeit- und kosteneffizienter gestaltet werden als bisher üblich. 3D-Dentalscanner, Handstück 3D-Dentalscanner in Anwendung

6 INTERNATIONAL REFERENCE PROJECTS REFERENZPROJEKTE MIT DER INDUSTRIE: Fahrerassistenzsystem für Straßenbahnen Auftraggeber: Bombardier 3D Dentalscanner Auftraggeber: a.tron3d GEFÖRDERTE PROJEKTE, ÖSTERREICHISCHEN FORSCHUNGSFÖRDERUNGSGESELLSCHAFT (FFG): HWS-PAS Highway in the Sky Pilot Assistance System VASL Visual Airborne Self Localization DVKUP - Kollisionsvermeidungssysteme zur Unterstützung von Piloten RPA-AI Remotely Piloted Aircraft Airspace Integration 3D-VIP 3D Vision for Intelligent Production PROJEKTE IM SICHERHEITSFORSCHUNGSPROGRAMM KIRAS, GEFÖRDERT DURCH DAS BUNDES- MINISTERIUMS FÜR VERKEHR, INNOVATION UND TECHNOLOGIE (BMVIT): SkyObserver - Autonom fliegende Fluggeräte zur großflächigen Lagebilderstellung aus der Luft für Einsatzkräfte in Krisenund Katastrophenszenarien SafeCon - Sichere semi-autonome Konvoiführung RelCon Sichere Kontrolle autonomer Fahrzeuge FlexDetect Flexible und mobile Detektion von eindringenden Personen in Sicherheitszonen

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8 KONTAKT AIT Austrian Institute of Technology Safety & Security Department Donau-City-Straße Wien Austria DI Christian Zinner Thematic Coordinator 3D Vision and Modeling T +43 (0) F +43 (0) christian.zinner@ait.ac.at AIT Austrian Institute of Technology v Errors excepted. Images: AIT, a.tron3d TM GmbH