Roboter mit menschlichem Blick

Nicht nur im Kino ist die dritte Dimension derzeit im Trend. Bilder mit Tiefeninformation sind für verschiedene Anwendungen auch im industriellen Bereich gefragt. Im Rahmen des EU-Projektes TACO (Three-dimensional Adaptive Camera with Object Detection and Foveation) wird daran gearbeitet, Funktionen des menschlichen Auges zu imitieren. Eine 3D-Kamera mit integriertem Laserscanner soll so Robotern künftig eine bessere Sicht ermöglichen. Damit lernt der Roboter seine Umgebung genauer kennen und kann gezielter agieren.

Im Moment ist das Sehvermögen der meisten Roboter nicht gut genug um ihr Umfeld tatsächlich zu verstehen. Genau dieser Aufgabenstellung widmet sich das Europäische Forschungsprojekt TACO mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft.

Das Entwicklungsteam kopiert dabei ein Erfolgsrezept der Natur „das foveale Sehen“: Das menschliche Auge hat nämlich die Fähigkeit, das Sichtfeld auf wenige Elemente in unserer Umgebung fokussieren zu können. Das kann beispielsweise ein Ball sein, der die Straße entlang rollt, während wir mit dem Auto fahren, oder der Becher Kaffee, den wir im Begriff sind, mit unseren Händen zu fassen. In beiden Fällen bewegt sich unser Auge, um in bestmöglicher Qualität einen visuellen Eindruck von diesem interessanten Objekt zu bekommen. Ziel des TACO-Projektes war, das menschliche Auge in dieser Hinsicht zu imitieren. Dabei wollen die Entwickler eine maximale Sehschärfe in einem begrenzten Sichtfeld erzielen, um dieses Element in deutlich besserer Qualität als die weniger interessanten umliegenden Bereiche darzustellen.

TACO startete im Jahr 2010 mit sieben Partnern aus vier Ländern. Gemeinsam entstand eine neuartige 3D-Scanner Kamera, die hauptsächlich mit Hilfe zweier Technologien funktioniert: Der flexiblen, günstigen und robusten Hardware basierend auf der Laser Scanning Technologie (3D-Scanner) und der Software zur ultra-schnellen Objekterfassung und zur Steigerung der Umweltwahrnehmung des Roboters.

Bei der Entwicklung der Hardware wurden erstmals Mikro-Elektro-Mechanische-Scannerspiegel mit gepulster Laser-Scanner-Abstandmessung kombiniert. Laserscanner haben bei der 3D-Datenaufnahme entscheidende Vorteile: Sie arbeiten unabhängig von einer externen Lichtquelle und liefern präzisere Tiefeninformationen als alternative Systeme vergleichbarer Größe. So nimmt die Genauigkeit der Tiefeninformation bei einem Stereokamerasystem mit steigender Entfernung deutlich schneller ab als bei einem Lasermesssystem. Zudem erweisen sich 3D-Laserscanner als sehr robust gegenüber Störungen wie etwa Sonneneinstrahlung oder schnellen Intensitätsvariationen bei künstlicher Beleuchtung.

Das 3D-Bild eines Laserscanners entsteht auf Basis vieler einzelner Entfernungsmessungen. Wie dicht die Messpunkte nebeneinander liegen, also wie detailreich das resultierende Bild ist, lässt sich dabei fast frei bestimmen. In der Praxis musste bisher zwischen hoher Auflösung oder kurzen Aufnahmezeiten abgewogen werden. Mit der fovealen Kamera kann man nun sehr schnell zwischen hoher Auflösung und kurzen Aufnahmezeiten umschalten. Diese Eigenschaft ist insbesondere für Anwendungen im Bereich des maschinellen Sehens und der Robotik interessant.

Die 3D-Kamera kann Daten mit weitaus höherer Qualität produzieren, ohne dabei den Gesamt-Datenumfang, den der Roboter verarbeiten muss, zu erhöhen. Die Kamera ist sogar in der Lage akkurate Informationen über die Entfernung zu jedem Punkt im Visualisierungsbereich zu liefern. Diese Funktion hilft dem Roboter, sich in unserer unstrukturierten Welt zurechtzufinden.

Die 3D-Kamera aus dem TACO-Projekt könnte dazu beitragen, dass Roboter bald in der täglichen Interaktion mit Menschen eine breite Palette an unterschiedlichen Aufgaben übernehmen, wie beispielsweise Reinigung, Bau, Wartung, Sicherheit oder persönliche Unterstützung.

CTR / PH