Intelligente Kamera: Objekte (hier Federn) im Bild suchen, klassifizieren und lokalisieren.

Ausgabe 03 | 2023

Intelligente 3D-Vision

Stettbacher Signal Processing AG

Autonomes Fahren, 3D-Bildgebung und Rekonstruktion, etwa in der Medizinaltechnik, erweiterte Realitäten, usw. sind Themen, die sich aktuell rasant entwickeln. Damit wächst auch das Bedürfnis nach hochperformanten, spezialisierten Lösungen für die dreidimensionale Erfassung von Umgebungen und Objekten. Oft müssen Integratoren und Entwickler auf wenig flexible COTS-Produkte zurück greifen welche jeweils nur verschiedene Teilbereiche der Computer Vision abdecken oder nur eingeschränkt die Bedürfnisse an diverse Umwelt- und Einsatzbedingungen befriedigen können.

Die Stettbacher Signal Processing AG (SSP) bietet massgeschneiderte Lösungen für Stereo- beziehungsweise Multi-Kamera-Anwendungen an. Von der Auswahl optimaler Bildsensoren, über Hardwarebeschleunigung und KI-Integration bis zu Punktwolken Messungen und Schutzklasse IP69K bleiben keine Wünsche offen. Die Firma unterstützt darüber hinaus bei der reibungslosen Einbindung in bestehende Infrastrukturen, beispielsweise mit einer Anbindung für ROS2 (Robot Operating System 2).

Anwendungsgebiete
Stereo-Kameras werden für die Erstellung von 3D-Modellen von Objekten und Umgebungen verwendet, um beispielsweise Pick-&-Place Processe präzis zu steuern, oder um selbstfahrenden Fahrzeugen und Robotern dabei zu helfen, ihre Umgebung besser zu verstehen und sich darin zu bewegen. Zusammen mit anderen Sensordaten – wie IMU, Radar, Ultraschall usw. – wird es autonomen Systemen somit ermöglicht, hochauflösende Karten von neuen Umgebungen zu erstellen und sich darin zurecht zu finden. Dies ist insbesondere für die anschliessende Lokalisierung und Navigation essenziell. Die präzise räumliche Wahrnehmung trägt dazu bei, Unfälle zu vermeiden und die Genauigkeit und Effektivität zu verbessern.
Auch im Bereich der erweiterten Realität (Augmented Reality, AR) werden Stereo-Kameras benützt um Tiefeninformationen einer Szene zu erfassen, beispielsweise die Lage und Position von bestimmten Objekten. Umgekehrt verwenden AR-Anwendungen räumliche Informationen, um virtuelle Objekte korrekt zu positionieren und um eine Interaktion mit selbigen zu ermöglichen. Wenn die Tiefeninformation genügend hochauflösend und schnell gewonnen werden kann, ist es möglich sehr immersive, interaktive AR-Erfahrungen zu schaffen. So können beispielsweise bei der virtuellen Planung einer neuen Wohnungseinrichtung virtuelle Möbelstücke in einen Raum gestellt und an realen Wänden und Böden ausgerichtet werden.
Stereo Vision findet überdies in der Medizinaltechnik vielfältige Anwendung, insbesondere in der Bildgebung und 3D-Rekonstruktion. So können in der Dentalmedizin 3D-Modelle der Zähne und des Kiefers erstellt werden. Dies ist sehr hilfreich für die Planung von Zahnimplantaten, Zahnspangen und anderen Behandlungen. In der Chirurgie können mittels Stereo-Kameras zum Beispiel Modelle des Gesichts und des Körpers generiert werden um plastische Operationen besser zu planen. In all diesen Anwendungen ermöglichen Stereo-Kameras die Erstellung präziser und detaillierter 3D-Modelle, welche für die moderne Planung und Durchführung von medizinischen Eingriffen unerlässlich geworden sind.

Technik
Stereo-Kameras verwenden zwei synchronisierte und kalibrierte Kameras, sodass immer ein Bildpaar aus zwei leicht unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen wird. Durch Korrelation der beiden Bilder wird das sogenannte Tiefenbild berechnet, welches die Raum-Koordinaten zu jedem Pixel angibt. Somit entsteht eine 3D-Beschreibung des sichtbaren Raumes. In diesem Raum können mittels KI-Verfahren Objekte gesucht, klassifiziert, lokalisiert und sogar deren Orientierung bestimmt werden.
Der Schritt zum 3D-Bild ist sehr rechenintensiv. Die Stereo-Kamera von SSP verwendet dafür spezialisierte Rechner zum Beispiel von Nvidia. Die Daten der Kamera sind denn auch eindrücklich: Beide Bildsensoren liefern je 5 MPixel bei 35 Bildern pro Sekunde, respektiv 60 Bilder bei Full-HD-Auflösung, immer mit global Shutter. Das heisst, dass auch in schnell bewegten Szenen kein Bildverzug auftritt. Dank dem wasserdichten Gehäuse (IP69K) wird der Einsatz in rauhen Umgebungen, beispielsweise bei Nässe oder im Staub ermöglicht. Sogar unter Wasser und bei Temperaturen von -40 bis +60 °C kann die Einsatzfähigkeit gewährleistet werden. Der integrierte Rechner Jetson Xavier NX von Nvidia leistet mit 384 GPU Cores mehr als 20 TOPS. Die Leistungsaufnahme liegt bei ca. 20 W. Der Rechner ist frei programmierbar und über eine Ethernet-Schnittstelle mit PoE++ nach aussen verbunden. Auf Wunsch unterstützt SSP seine Kunden beim Einsatz der Kamera oder bei der Entwicklung von Computer Vision Applikation, inklusive anwendungsspezifischer Hardware und/oder Software. Auf diese Weise rückt jede Vision-Lösung in Reichweite.

INFOS | KONTAKT
Stettbacher Signal Processing AG
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www.stettbacher.ch
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April

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