Räumliches Sehen für Roboter

Mit 3D-Informationen können Aufgabenstellungen im Maschinenbau oder in der industriellen Produktion bewältigt werden, für die zweidimensionale Bildverarbeitung nicht ausreicht. Erst durch räumliches Sehen wird es Maschinen beispielsweise möglich, gekippte oder verdrehte Objekte eindeutig in ihrer Raumanordnung wahrzunehmen.

Derzeit kommen 3D-Verfahren in der Industrie vor allem für Messaufgaben zum Einsatz. Wie Patrick Schwarzkopf, Stellvertretender Geschäftsführer des Fachverbandes Robotik + Automation, anlässlich der diesjährigen "Automatica" in München formulierte, werden bereits "10 % des gesamten Branchenumsatzes allein mit dreidimensionalen Messaufgaben realisiert." Doch im Automatisierungsbereich warten weitere vielversprechende Einsatzmöglichkeiten wie Greifen, Palletieren, Montieren, Kleben und Schweißen.

"Aktives" und "passives" Sehen

Bisher werden in der Industrie meist laser- oder infrarotbasierte Systeme eingesetzt. Je nach Technologie wird ein Laserlicht oder ein Farbmuster im Infrarotbereich emittiert und von der Umgebung reflektiert. Das reflektierte Licht wird dann beispielsweise im Rahmen einer Laufzeitmessung ausgewertet und zur Darstellung eines Umgebungsbildes verwendet. Der Nachteil: Diese Systeme sind derzeit stark an die Prozesse angepasst, die sie unterstützen sollen. Die Anschaffung ist teuer, jede Änderung im Anwendungsprozess ist zeit- und kostenintensiv.

Doch inzwischen nimmt sich die Forschung zunehmend das menschliche Auge zum Vorbild: die optische Erfassung und die Verarbeitung der sensualen Eindrücke sind hier in einem System integriert - und dem Auge genügen schon die "gesehenen" Informationen, um daraus auf Grund "passiver" Wahrnehmung eine räumliches Bild konstruieren. Die inzwischen stark gestiegene Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren erleichtert solche integrierte Ansätze, weil die geforderte Rechenpower inzwischen auch mit Embedded-Hardware erzielt werden kann.

Stereo-Sehen für Roboter

Diesem Ziel sind jetzt Forscher am AIT einen großen Schritt näher gekommen. Mit der "Stereo Vision Technologie" haben Christian Zinner und Martin Humenberger ein künstliches Augenpaar vorgestellt, das aus zwei Digitalkameras sowie einer Farbkamera für zusätzliche Aufgabengebiete und der entsprechenden Software besteht. Auf diese Weise kann ein dreidimensionales Modell der Umgebung in Echtzeit berechnet und auf einem speziellen 3D Monitor dargestellt werden.

Der Vorteil dieser Entwicklung zeigt sich schon bei der Hardware, für die zwei in fixem Abstand zueinander montierte Digitalkameras zur Bilderfassung ausreichend sind. Für die entscheidende "Sehleistung" sorgt die "High Speed Stereo Software Engine (S³E)", ein leistungsfähiges System für stereoskopische Bildanalyse auf unterschiedlichen Rechenplattformen - auch als Firmware für eingebettete DSP-Plattformen verfügbar.

Die synchron, aber aus leicht verschobenem Winkel aufgenommenen Bilder der beiden Kameras werden Pixel für Pixel verglichen - und aus dem horizontalen Versatz wird ein räumliches Bild errechnet. Dabei gibt es keine Einschränkungen bei der Auflösung der Kameras, allerdings ist es naheliegend, dass eine höhere Bildauflösung auch den Rechenaufwand in die Höhe treibt. "Bei einer Auflösung von 640 mal 480 Bildpunkten und einer Framerate von 20 Bildern/Sekunde", so Martin Humenberger im Gespräch mit dem MONITOR, "ergeben sich rund 368 Mio. Pixelvergleiche in der Sekunde."

Bei der Berechnung kommen moderne Algorithmen zum Einsatz mit denen für jedes Pixel außerdem die entsprechende "Tiefe" angegeben werden kann. Aus den gemessenen Unterschieden zwischen dem Bild der rechten beziehungsweise der linken Kamera ergibt sich dann das fertige, "ausgemessene" 3D-Bild.

Die Vorteile

Die Vorteile des Systems liegen nicht nur, so Humenberger, in den vergleichweise deutlich kostengünstigeren Anschaffungskosten des Stereokamerasystems. Die integrierte Bauweise ermögliche die Umsetzung von kompakten Stereo Sensoren mit intelligenten Kameras. Diese verfügen über einen DSP als Rechenplattform und sind als Standardkomponenten verfügbar.

"Durch die Stereo Vision Technologie gewonnene Bildinformationen können auch ergänzend für Farbsegmentierung, Gestenerkennung, optische Zeichenerkennung (OCR), Barcode lesen und vieles mehr genutzt werden", ist der Forscher überzeugt. Auch für die Robotik ergeben sich neue Optionen in Sachen Navigation, Hindernis-, und Szenenerkennung.

Ein "passives" optisches Erfassungssystem ist allerdings von der Beleuchtungssituation abhängig, in der sich die zu beobachtende Umgebung befindet. In dunklen oder sehr grell ausgeleuchteten Räumen werden digitale Kamerasysteme deshalb an ihre Grenzen stoßen. Bei möglichen Einsatzszenarios muss dieser Punkt mitgedacht werden. Hier liegen entsprechend adaptierte Anwendungsumgebungen oder Kombinationen mit "aktiven" Verfahren nahe, die dann beispielsweise bei Bedarf zum Einsatz kommen könnten.

Praxiseinsatz

Im Rahmen des EU-Projekts "robots@home", an dem das AIT gemeinsam mit der TU Wien arbeitet, wurde der Robot-Butler "James" mit den neuen Stereoaugen versehen und in einem bekannten schwedischen Möbelhaus präsentiert.

Durch den Einsatz der "Stereo Vision Technologie" sieht der Roboter einen Gegenstand nicht nur, er kann auch nach diesem greifen und ihn heben. Er kann Gegenstände erkennen und "bewusst" ansteuern. In Hinkunft sollen auch industrielle Fertigungsprozesse oder Kraftfahrzeuge von diesem System profitieren.

www.ait.ac.at

http://robots-at-home.acin.tuwien.ac.at