Digitalkameras in der industriellen Bildverarbeitung werden unter sehr kontrollierten Bedingungen eingesetzt: Die Kamera ist fest im System installiert und erledigt unter konstanten Bedingungen eine immer gleich bleibende Prüfaufgabe. Dabei sind die Lichtverhältnisse, der Blickwinkel sowie die Entfernung zum Objekt für die Aufnahme optimiert.

Allerdings nehmen die nicht-industriellen Anwendungsgebiete für digitale Bildverarbeitung immer weiter zu – zu denken ist hier an Szenarien wie Verkehrsüberwachung, Sicherheitskontrolle, Sport und Unterhaltung. Die Aufgabe der Bildverarbeitung besteht hier oft darin, bewegte Objekte in einer offenen Umgebung zu erkennen und zu verfolgen – zum Beispiel Menschen oder Fahrzeuge. Manchmal ist auch die Kamera selbst auf einem Fahrzeug montiert und soll sich entweder auf ein Zielobjekt fixieren oder eine 360°-Grad-Aufnahme der Umgebung machen.

Die Anforderungen solcher Applikationen im Außenbereich führen zu Innovationen, die zum Teil in industrielle Anwendungen zurückfließen; insbesondere dann, wenn eine Kamera unter besonders rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden soll. Ein Beispiel dafür ist das Bilderfassungssystem „RobotEye“.

Um die Ecke denken

In Applikationen, die eine multi-direk-tionale Überwachung erfordern, wurden Kameras bisher zumeist auf ein Pan/Tilt-System montiert (Gimbal), um sie zu schwenken und zu neigen. Diese beweglichen Elemente haben aber leider ihre mechanischen Grenzen sowohl hinsichtlich ihrer Präzision als auch bezüglich der Geschwindigkeit der Kamerapositionierung. Darüber hinaus kann permanente Bewegung die Lebensdauer der Kamera und ihrer Kabel verringern.

Im RobotEye lassen sich über den Standard-C-Mount-Anschluss verschiedene Kameras je nach Bedarf einsetzen.

© Allied Vision Technologies

Hier setzt das Konzept von „Robot-Eye“ an, das von der australischen Firma Ocular Robotics entwickelt wurde: Neu daran ist, dass nicht die gesamte Kamera samt Objektiv bewegt wird, sondern nur die Optik – die Kamera selbst mit ihren Schnittstellen und Kabelverbindungen bleibt fest installiert. RobotEye dient sozusagen als ein optischer Pfad, mit dem sich die Blendenöffnung in allen Richtungen schnell und genau bewegen lässt. Das System lenkt die Bildinformationen zu einem unbeweglichen Bildsensor um.

Da nur die Optik bewegt wird und nicht die Kamera, ist das System extrem robust und flexibel. So ist RobotEye dank Schutzart IP65 auch unter rauen Bedingungen im Außenbereich einsetzbar und hält Temperaturen von –20 bis +70 °C stand. Die Kamera sowie alle sonstigen Elektronik-Komponenten befinden sich in einem Schutzgehäuse. Das System lässt sich an jede beliebige C-Mount-Kamera anschließen. Aktuell werden im RobotEye je nach Anforderung verschiedene Kameramodelle von Allied Vision Technologies eingesetzt.

Steuern aus sicherer Entfernung

Im Zusammenspiel mit einem kopfgebundenen Betrachtungssystem ermöglicht es RobotEye einem Menschen, gefährliche Orte aus sicherem Abstand zu erkunden – beispielsweise ein Kata-strophengebiet, einen vergifteten oder radioaktiven Bereich oder auch einen Kriegsschauplatz. Dazu wird die Kamera auf einem robotisierten Fahrzeug montiert, das das Gebiet erkundet. Der „Fahrer“ des Fahrzeugs befindet sich in einem geschützten Raum, der sich vielleicht Kilometer von dem Fahrzeug entfernt befinden kann, und taucht über eine Spezialbrille virtuell in die Szene ein. Dabei folgt die Optik des Systems ruckfrei und in Echtzeit den kleinsten Kopfbewegungen der Person. Die Bilder werden live auf das Brillendisplay übertragen. So kann der Mitarbeiter seinen Blick intuitiv über das entfernte Szenario schweifen lassen.

RobotEye im Test bei der Singapur-Marine: Die Herausforderung liegt in der Bild­stabilisierung auf See.

© Allied Vision Technologies

Auf Dauer geht dies aber nur, weil RobotEye nahezu verzögerungsfrei den Kopfbewegungen der Person folgt. Damit ist eine Schwäche bisheriger Systeme dieser Art ausgemerzt: Bis dato reagierten mechanische Pan/Tilt-Systeme nämlich nur mit einer Latenzzeit und weniger Präzision auf die Kopfbewegungen. Dies erweist sich in der Praxis als extrem störend für den Menschen, weil es seine räumliche Wahrnehmung verwirrt – bei den meisten Menschen führt jede Verzögerung über 10 ms zu Übelkeit. Mit RobotEye hingegen ist keine Verzögerung zu spüren.

Auch Industriebranchen, in denen Menschen besonders gefährlichen Arbeitsbedingungen ausgesetzt sind, können von dem System profitieren – so etwa die Öl- oder Gasförderung oder der Bergbau. Ein Beispiel sind Eisenbergwerke im Nordwesten Australiens: Hier schützt die Möglichkeit der Tele-Operation Mitarbeiter vor potenziellen Gefahren – und senkt zudem die Personalkosten, insofern als Mitarbeitern bisher erhebliche Prämien bezahlt werden mussten, damit sie sich in dieser abgelegenen und unattraktiven Gegend niederlassen.

Stabilisierung und Verfolgung

Ist die Kamera auf einem Fahrzeug montiert, gehört die Bildstabilisierung zu den typischen Anwendungen von RobotEye. Das System lässt sich nämlich dahingehend programmieren, dass die Kamera-Optik immer auf einen fixen Punkt wie etwa den Horizont fokussiert bleibt. Bewegt sich das Fahrzeug horizontal (nach links oder rechts) oder vertikal (nach oben oder unten), kompensiert das gelenkige Objektiv in Echtzeit in entgegengesetzter Richtung, um das Bild zu stabilisieren. Diese Funk-tion eignet sich insbesondere für Kameras, die auf einem Geländewagen – etwa bei Militär, Forstwirtschaft oder Feuerwehr – oder einem Boot – zum Beispiel der Grenzschutzpolizei – montiert sind. Ebenso sind solche Systeme in der Industrie denkbar, zum Beispiel auf automatisierten oder teilautomatisierten Bau- und Logistikfahrzeugen zur Hindernis-Erkennung.

Die nahtlose und schnelle Beweglichkeit des Objektivkopfes ermöglicht es zudem, aus einer fixen Position ein schnell bewegliches Objekt zu verfolgen. Dabei wird die Laufbahn des Zielobjekts automatisch verfolgt.

Bei der Funktion „Multidirektionale Überwachung“ wird die schnelle und präzise Positionierung in einem vorgegebenen Blickwinkel genutzt. Dabei lassen sich mehrere Überwachungskameras durch eine einzige ersetzen: Beispielsweise wird das System in der Mitte einer Lagerhalle aufgehängt und so programmiert, dass die Kamera abwechselnd auf vier Punkte zielen soll: die Eingangstür, das Büro, das Fenster, das Lager. Innerhalb von Sekundenbruchteilen nimmt RobotEye alle vier Positionen ein und erfasst ein Bild in Endlosschleife. So lassen sich im Zeitraffer parallel vier Video-Streams erzeugen.

Diese Funktionalität ließe sich in der Industrie beispielsweise für Prüfaufgaben einsetzen, bei denen das Objekt zu groß ist, um von einer einzelnen Kamera erfasst zu werden – ein großes Display zum Beispiel oder ein Solarpanel. Statt mit mehreren Kameras einzelne Teilbereiche des Produktes zu erfassen, könnten mit RobotEye mehrere Prüfpunkte von einer einzigen Kamera aufgenommen werden.

Panoramabilderfassung

Wird die akkurate Positionierung der Optik voll ausgenutzt, lassen sich ultra-hochauflösende Panoramabilder erzeugen: Das System nimmt schrittweise Hunderte von Bildern einer Szene auf, die im Vergleich zum vorigen immer leicht versetzt sind. Daraus ergibt sich ein riesiges Puzzlespiel, das von einer speziellen Bildverarbeitungssoftware gelöst wird: Aus den einzelnen Bildern entsteht eine ultra-hochauflösende Aufnahme der Szene mit einer Detailschärfe, die keine einzelne Kamera hätte erreichen können. Je nach Auflösung der Kamera und Anzahl der einzelnen Bilder ist das Panorama mehr oder weniger hochauflösend. RobotEye ist in der Lage, rund 1000 Bilder einer Szene aus verschiedenen Blickwinkeln in weniger als einer Minute aufzunehmen. Von jedem Bild liegen akkurate Koordinaten vor, was die Arbeit der Bildverarbeitungs- software erleichtert und beschleunigt. So entsteht jede Minute ein mehrere Gigapixel großes Panoramabild – andere mechanische Systeme benötigen zwischen 10 und 60 Minuten pro Bild.

Alle für RobotEye entwickelten Software-Anwendungen basieren auf „GigE API“ von Allied Vision Technologies.

Autor: Jean-Philippe Roman ist PR & Marketing Communications Manager bei Allied Vision Technologies in Ahrensburg.