Berühren verboten! Berührungsfreie Interfaces in der industriellen Fertigung

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1 Berühren verboten! Berührungsfreie Interfaces in der industriellen Fertigung Hariolf Betz / Stefan Partsch exxcellent solutions gmbh / Wieland-Werke AG

2 Agenda 1. Einführung Was ist/kann die Kinect? 2. Gestenerkennung Wie kann ich Gesten auf der Kinect erkennen? 3. Fallstudie: Kinect im industriellen Umfeld Anforderung und Ergebnis Evaluation und Vorführung Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 2

3 1. Einführung Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 3

4 Tiefen-Sensoren: Technische Grundlagen Stereovision Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 4

5 Tiefen-Sensoren: Technische Grundlagen Structured Light/Light Array Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 5

6 Tiefen-Sensoren: Technische Grundlagen Time-Of-Flight (TOF) Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 6

7 Tiefen-Sensoren: Vergleich z.b. Kinect v1 z.b. Kinect v2 Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 7

8 Geschichte der Kinect (SDKs) 06/2009: Ankündigung Project Natal Light Coding -Sensoren von PrimeSense 11/2010: Kinect for Xbox /2010: Gründung OpenNI PrimeSense veröffentlicht Treiber (NiTE) 06/2011: Microsoft Kinect SDK 02/2012: Kinect for Windows 11/2013: Xbox One (inkl. Kinect v2) 11/2013: Apple kauft PrimeSense Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 8

9 Frameworks OpenNI/NiTE NiTE Middleware (= natural interaction engine) OpenNI SDK (= open natural interaction) C++ (C# und Java-Wrapper) OpenNI.org seit 04/2014 offline Kinect for Windows SDK C++, C#, Visual Basic aktuelle Version: 2.0 (mit Unterstützung für Kinect v2) Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 9

10 2. Gestenerkennung Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 10

11 Prototyping mit FAAST Middleware Virtual Reality Peripheral Network (VRPN) stellt Skelett-Daten über VRPN-Server zur Verfügung Input Emulator erlaubt das Erstellen eigener Gesten löst virtuelle Tastatur-/Mausevents aus. Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 11

12 Gestenerkennung: Kinect SDK 1. Aktiviere Stream RGB-Bild Tiefenbild Skelett-Informationen 2. Registriere EventHandler an Datenquelle 3. Starte Sensor mysensor.skeletonstream.enable(); mysensor.skeletonframeready += new EventHandler<SkeletonFrameReadyEventArgs>( myhandler); mysensor.start(); Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 12

13 Gestenerkennung: Kinect SDK Event, sobald neues Frame vorliegt 20 Gelenke (Joint) pro Skelett pro Frame und Gelenk eine Position im Raum x-, y-, z-koordinate JointCollection myjoints = myskeleton.joints; float handx = myjoints[jointtype.handleft].position.x; float elbowx = myjoints[jointtype.elbowleft].position.x; if (handx elbowx > 0.2) { // do something } Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 13

14 Gestenerkennung: Kinect SDK Tooling Hand Pointer Gestures integriert in Windows Presentation Foundation (WPF) KinectRegion berührungsfreie Mauszeiger-Steuerung Gesture Builder (seit 2.0) Gestendefinition durch maschinelles Lernen Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 14

15 Open Source: FUBI Full Body Interaction Framework Open Source EU-Projekt Definition von Gesten: C++/C# oder XML. <JointRelationRecognizer name="lefthandleftofelbow"> <Joints main="lefthand" relative="leftelbow"/> <Relation type="left" min="200"/> </JointRelationRecognizer> Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 15

16 Fazit: Gestenerkennung 1. von Hand 2. Konfiguration über Tooling 3. Maschinelles Lernen keine One-size-fits-all-Lösung Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 16

17 3. Fallstudie Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 17

18 Feldversuch Anwendungsfall Realisierung der Gestensteuerung Integration in die bestehende Anwendung Feldversuche Fazit Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 18

19 Feldversuch - Anwendungsfall Verwiegung an Bindelinie 2 Ziel: Zeitersparnis durch Reduzierung von Laufwegen Auftrag am PC öffnen Zum Ring einlegen Zur Materialeingang Anlagensteuerung Ring auf Waage fahren Zum PC Nächsten Ring verwiegen zum Etikettendrucker Zum nächsten Ring Ring zum Binden fahren Zur Ring weiterfahren Anlagensteuerung Etikett anbringen Zum Ring Zur Anlagensteuerung Etikett holen zum Ring Ring zusammen -binden Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 19

20 Feldversuch - Anwendungsfall Verwiegung an Bindelinie 2 Ziel: Zeitersparnis durch Reduzierung von Laufwegen Auftrag am PC öffnen Zum Ring einlegen Zur Materialeingang Anlagensteuerung Ring auf Waage fahren Zum PC Nächsten Ring verwiegen Gestensteuerung zum Etikettendrucker Zum nächsten Ring Ring zum Binden fahren Zur Etikett anbringen Zum Ring Zur Anlagensteuerung Etikett holen Ring weiterfahren Anlagensteuerung Etikettendrucker verschieben zum Ring Ring zusammen -binden Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 20

21 Feldversuch - Anwendungsfall Umgebungsbedingungen: Wechselhafte Beleuchtung Personen im Umfeld Reflektionen (Umgebung, vorbeifahrende Stapler) Staub/Schmutz Anforderungen Erkennungsrate >= 96% Geringe Zeitverzögerung (<300ms) Sehr geringe Einlernvorgänge Intuitive, ergonomisch durchführbare Gesten Robustheit gegenüber Umgebungsbedingungen Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 21

22 Feldversuch Integration in Anwendung Aktuelle Systemlandschaft CITRIX (virtueller Desktop) WFS (C++/QT) Messaging (ActiveMQ) WebService ActiveMQ Broker Externer Trigger Anlagen-PC JBoss Server (VMWare) Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 22

23 Feldversuch Integration in Anwendung Integration Kinect CITRIX (virtueller Desktop) WFS (C++/QT) Gestenerkennung Anlagen-PC WebService Messaging (ActiveMQ) Kinect ActiveMQ Broker JBoss Server (VMWare) Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 23

24 Feldversuch Integration in Anwendung Gestenerkennung als separater Prozess auf PC Kommunikation mit Backend und/oder Client per Messaging (ActiveMQ) Implementierung unabhängig von Client- Technologie (C++ / Web), z.b. C#-Bibliotheken einsetzbar Trennung Kinect-PC / Visualisierungs-PC möglich Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 24

25 Feldversuch - Ergebnisse Erster Feldversuch Ziele: Untersuchung der Störeinflüsse Positionierung der Kinect prüfen Beschreibung: Visualisierung der Handflächen (erkannt / nicht erkannt) Rudimentäre Erkennung einer Hakengeste Wolkig Keine Änderung der Lichtverhältnisse Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 25

26 Feldversuch - Ergebnisse Erster Feldversuch Ergebnisse Handerfassung zu 97,5 %, Interpolation gut Gestenerkennungsrate 72% Mehrere Personen erfasst Anleitung des Benutzers mit 5 Minuten zu lang Häufige irrtümliche Gestenerkennung Maßnahmen Beschränkung auf eine Person implementieren Gestenerkennung verbessern Diskrete Gesten Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 26

27 Feldversuch Realisierung der Gestensteuerung Einschränkung auf erste Person im Sichtfeld Diskrete Gesten mit abgegrenztem Start/Ende $N-Recognizer Bibliothek zur Erkennung von Touch-Gesten Abgleich mit hinterlegten Templates 2 Gesten: Wischen, Haken Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 27

28 Feldversuch - Ergebnisse Zweiter Feldversuch Ziele: Verbesserte Gestenerkennung untersuchen Beschreibung: Alternativer Ansatz der Gestenerkennung Wechselnde Lichtverhältnisse Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 28

29 Feldversuch - Ergebnisse Zweiter Feldversuch Ergebnisse Gestenerkennungsrate 65% bei direkter Sonneneinstrahlung 84% ohne Sonneneinstrahlung Weiterhin starke Beeinflussung durch weitere Person Irrtümliche Gestenerkennung in 20% der Ruhepausen Verbessung nach Anleitung des Anwenders Maßnahmen Position des Sensors anpassen (Sonneneinstrahlung) Mehrere Templates für Geste Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 29

30 Feldversuch - Ergebnisse Dritter Feldversuch Ziele: Integration in Wieland Factory Suite (WFS) untersuchen Test unter realen Bedingungen Beschreibung: Gestenerkennung weiter verbessert Integration in WFS mittels Messaging Wechselnde Lichtverhältnisse Sensor von der Sonneneinstrahlung weg gerichtet Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 30

31 Feldversuch - Ergebnisse Dritter Feldversuch Ergebnisse Gestenerkennungsrate 83% Ersparnis je Arbeitsdurchgang Laufweg: 17,5m 9,5m (46%) Zeit: 70s 55s (21%) Unterscheidung zweier Personen, wenn diese > 20 cm entfernt stehen Integration in WFS ohne nennenswerte Verzögerung Negative Einflüsse durch Sonneneinstrahlung lässt sich durch entsprechende Positionierung vermeiden Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 31

32 Fazit Gestenerkennung Erkennungsrate nicht ausreichend Wechselnde Lichtverhältnisse problematisch Störeinflüsse durch Umgebung und Personen gering Einfache Gesten intuitiv erlern- und ausführbar Expliziter Start/Stop anfangs ungewohnt Komplexere Interaktion mit Gesten schwierig Listenauswahl beschränkt möglich Eingaben nicht möglich Weitere Forschung und Verbesserung von Algorithmen erforderlich Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 32

33 Fazit Feldversuche Positive Resonanz von Werksleitung und Anlagenbedienern Einsparpotenzial gegeben, in anderen Anwendungsfällen noch mehr Potenzial vorhanden Ggf. Umorganisation der Arbeitsplätze nötig Alternativen zu Gestensteuerung in den Anwendungsfällen Automatisierte Anlagenkommunikation Mobile Devices Funkmaus Interessantes Forschungsthema Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 33

34 Live-Demo Gestenerkennung Integration in Wieland Factory Suite Herbstcampus 2014 Titel des Vortrags 34

35 Vielen Dank! Hariolf Betz / Stefan Partsch exxcellent solutions gmbh / Wieland-Werke AG

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