Pictures of the Future    Herbst 2006

Mit digitalen Augen räumlich sehen

Das Erkennen dreidimensionaler Objekte gelingt technischen Systemen immer besser: dank Stereokameras, Streifenprojektionen oder Laserscannern, gepaart mit intelligenter Software.

_{Ein Abbild der Umwelt: Effiziente Kameras und Laserscanner verschaffen sich ein 3D-Bild ihrer Umgebung, hier im Labor von Frank Forster (großes Bild) und beim präzisen Absetzen von schweren Containern (rechts)} 

Dubai, Freihafen. Kaum hat das vollbeladene Containerschiff am Kai festgemacht, muss es schnell gehen, denn Liegezeit ist teuer. Die fast 50 m hohen Portalkräne schnurren ihre Haken aus und heben die teils über zwölf m langen Stahlkisten aufs Land. Weitere Riesen rollen auf Schienen heran und stapeln die Fracht im Stack, dem Umschlagplatz für Container.

Der professionelle Tanz der Kräne sieht aus wie immer. Nur haben sich jetzt Siemens-Experten von Automation and Drives (A&D) unter die Zuschauer gemischt. Einen Kran, der gerade einen Container auf die Pritsche eines Lkw bugsieren soll, beobachten sie besonders genau, obwohl er sich optisch nicht von den anderen unterscheidet. Die Fachleute aber wissen, was verborgen in seiner Laufkatze steckt, an deren Haken die Fracht langsam niederschwebt: Laserstrahlen haben von dort bereits den anrollenden Lkw erfasst, abgetastet und ein dreidimensionales Abbild erzeugt. So kann der Kran die exakte Fahrzeugposition berechnen.

Lichtsignale leiten den Lkw-Fahrer in die genaue Parkstellung unter dem Portalkran. Das Lasersystem überprüft diese Position und teilt sie der Kransteuerung mit. Diese übernimmt dann das zentimetergenaue Absetzen der Fracht. Auftrag geglückt – die von Siemens entwickelte Truck-Positionierung, die zum ersten Mal im Hafenterminal Dubai getestet wird, funktioniert einwandfrei. Damit lassen sich die tonnenschweren Lasten jetzt noch schneller und sicherer verladen und abtransportieren.

Noch schneller sollen künftig auch jene Schienen-Portalkräne werden, die im Stack jeweils bis zu fünf Container in Sechserreihen aufeinander türmen. Die Siemens-Forscher wollen sie so automatisieren, dass sie autonom agieren. Auch hier hilft die Lasertechnik. Die Vorversuche dazu laufen schon. Damit der Kran seine Last sicher im Gebirge der Container absetzen kann, scannt er die Kisten-Landschaft und speichert sie als 3D-Bild ab. Daraus berechnet das Steuersystem automatisch den schnellsten Weg zu jedem Lagerplatz sowie die Höhe der Container-Anhebung, um Hindernissen auszuweichen. Alois Recktenwald, Produktmanager bei A&D MC Cranes, ist sich sicher, dass solche fahrerlosen Portalkräne mit 3D-Objekterkennung sicherer und produktiver sein werden als ihre Vorgänger. "Schon jetzt sind die Sicherheit und die Effizienz der Test-Kräne im Vergleich zum heutigen Standard um mehrere Prozent höher", verrät der Spezialist aus Erlangen.

Selbstständig fahrende Gabelstapler. Neben den Hafenkränen auf Schienen planen die A&D-Experten auch Gabelstapler mit Laserscannern auszustatten. Autonom soll das fahrerlose Transportsystem durch Warenlager oder Produktionshallen kurven, ohne wie bisher von elektrischen Leitdrähten im Boden gelenkt zu werden. "Bis Ende des Jahres soll ein solcher automatisch agierender Gabelstapler serienreif sein", verspricht der A&D-Experte Walter Beichl und startet den Prototypen in einer Lagerhalle bei Stuttgart. "Zuerst muss er seinen Fahrkurs lernen", erläutert der Projektleiter und zieht den Gabelstapler zwischen den Regalen durch die Halle. Dabei tastet ein Laserstrahl, der oben aus dem Gabelstapler austritt, die Halle vom Boden bis zur Decke zeilenförmig ab. Aus diesen Zeilen, die eine Art Höhenprofil darstellen, setzt die interne Bildverarbeitungssoftware ein 3D-Umgebungsmodell des Fahrwegs zusammen und speichert es.

Bei der anschließenden automatischen Fahrt vergleicht ein interner Computer diese Karte mit dem vom Laserscanner aufgezeichneten aktuellen Bild: Der Stapler fährt genau auf der erlernten Fahrtroute. Fahrgeschwindigkeit und Lenkwinkel werden ebenso festgelegt. Zur Ortsbestimmung nutzt die Navigation feste Orientierungspunkte der Hallendecke, beispielsweise Tragestreben in der Deckenkonstruktion, die sie bei der Lernfahrt abgespeichert hat. Noch effizienter wird der Gabelstapler, wenn er auch Paletten aus dem Laserbild erkennt und sie selbstständig aufnimmt. "Die nötigen Algorithmen sind allerdings noch nicht soweit", sagt Beichl. "Der Rechner kann zwar die Paletten schon gut erkennen, aber die Gabelzinken können sich noch nicht genau achsenparallel unter die Paletten schieben. Den Einfahrwinkel zur Palettenaufnahme kann er noch nicht exakt genug berechnen, aber das ist nur eine Frage von Monaten." Die Informationen über den Stand sowie den Zielort der Paletten sendet dann ein Leitrechner per Funk (etwa per WLAN) an den Gabelstapler.

Sortierung mit Reißverschlussprinzip. Eine ganz andere Art der 3D-Objekterkennung hat Siemens in sein Produkt Singulator integriert – eine Sortieranlage für Pakete. Siemens Industrial Solutions and Services in Nürnberg hat vier solcher Systeme für UPS am Köln-Bonner Flughafen installiert, die auf den Förderbändern für Ordnung sorgen. Einen zunächst unsortierten Paketstrom, in dem kleine und große Pakete kreuz und quer liegen, ordnet der Singulator und richtet die Pakete in einer Linie aus.

Doch um die Pakete in Reih und Glied zu rücken, müssen sie zunächst erfasst werden. Dazu sind sechs Videokameras über dem Band installiert. Das erste Paar sind Stereokameras, die eine dreidimensionale Ansicht der Pakete erstellen. Zusammen mit Fotodioden, die im Förderband integriert sind, werden so Größe, Ort und Orientierung der Pakete per Bildverarbeitung festgestellt. Ist alles erfasst, beginnt die mechanische Sortierung auf dem etwa 1,5 m breiten Förderband. Kleine nebeneinander liegende Laufbänder und Rollen beschleunigen oder bremsen die Pakete ganz individuell ab, so dass sie sich drehen und sich hintereinander einreihen. Die vier weiteren Kameras achten darauf, dass alles seine richtige Ordnung hat.

Ein viel versprechendes Verfahren zur 3D-Erfassung, das bereits bei mehreren Siemens-Produkten verwendet wird, hat Dr. Frank Forster, Forscher bei Siemens Corporate Technology (CT), im Rahmen seiner Dissertation entwickelt: die farbkodierte Triangulation. Das Grundprinzip ist einfach: Ein Projektor beleuchtet das Objekt, dessen Form erfasst werden soll, mit einem aus parallelen Farbstreifen bestehenden Muster, das sich dann, je nach Geometrie der Oberfläche, verformt (Bilder links).

Eine Kamera zeichnet das Muster auf, aus dessen Verformung – ähnlich Höhenlinien – ein spezielles Computerprogramm im Bruchteil einer Sekunde das 3D-Abbild des Objektes berechnet. Das Verfahren hat mehrere Vorteile: Es lässt sich kostengünstig realisieren, da nur Standardkomponenten aus der Videotechnik benötigt werden. Außerdem erzeugt es einen 3D-Datensatz aus nur einem Videobild und kann so Bilddaten liefern sowie bewegte Objekte erfassen.

Farbe bekennen. Erstmals wurde die farbkodierte Triangulation für die Gesichtserkennung bei Zugangskontrollen angewendet (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2003,  Biometrische Techniken). Der Vorteil gegenüber anderen Erkennungsverfahren, etwa mittels Farbbildern, ist offensichtlich: Die 3D-Erkennung ist täuschungssicherer, denn im Gegensatz zu einem Foto ist die exakte Form eines Gesichts schwer nachzubilden. Um den technologischen Vorsprung schnellstmöglich industriell umzusetzen, wurde ein Kooperationsvertrag zwischen CT, Siemens Building Technologies und Viisage Technology Inc., dem Weltmarktführer auf dem Gebiet der Personenidentifikation, abgeschlossen.

Doch die farbcodierte Triangulation ist auch für andere Siemens-Bereiche nützlich. So wird sie etwa von A&D in der neuen Generation von Fahrwerk-Einstellständen eingesetzt. Hier werden die Oberflächen der sich drehenden Räder eines Fahrzeuges erfasst. Binnen Sekunden vermisst das System das Fahrwerk und steigert mit seiner Präzision die Qualität der Fahrzeuge.

Denn je präziser das Fahrwerk eingestellt ist, desto höher sind Sicherheit und Fahrkomfort und desto niedriger ist der Verschleiß der Reifen. Das System ist beispielsweise bei BMW und Porsche im Einsatz und wird auch bald für Werkstätten verfügbar sein.

Auch der von der Siemens Audiologische Technik GmbH vor kurzem auf den Markt gebrachte iScan basiert auf dem Verfahren. Hörgeräteakustiker können mit dem Scanner die Gehörgang-Abdrücke für ein Im-Ohr-Hörgerät selbst digitalisieren, also in 3D-Daten verwandeln. Statt die Abdrücke (die z.B. aus Silikon bestehen) wie bisher per Post zum Hörgerätehersteller zu schicken – der sie dann digitalisiert –, übermitteln sie die selbst ermittelten 3D-Daten per E-Mail. Das geht schneller und birgt kein Transportrisiko.
                                                                                                                      Rolf Sterbak