Eine 3D-Kamera ermöglicht Robotern künftig eine bessere Sicht und präziseres Agieren.

© Shadow Robot, Fraunhofer IPM

Das foveale Sehen ist ein Erfolgsrezept der Natur: Das menschliche Auge hat nämlich die Fähigkeit, das Sichtfeld auf wenige Elemente in der 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 ist es, das menschliche Auge in dieser Hinsicht zu imitieren. Dabei soll eine maximale Sehschärfe in einem begrenzten Sichtfeld erzielt werden, um dieses Element in deutlich besserer Qualität als die weniger interessanten umliegenden Bereiche darzustellen.

Um dies zu erreichen, haben die Forscher eine neuartige 3D-Scanner-Kamera entwickelt, die hauptsächlich mit Hilfe zweier Technologien ermöglicht wurde: einer flexiblen, günstigen und robusten Hardware basierend auf der Laser-Scanning-Technologie (3D-Scanner), und einer Software zur ultra-schnellen Objekterfassung und zur Steigerung der Umweltwahrnehmung des Roboters.

Intelligente 3D-Mikrospiegel-Kameras kopieren die Fähigkeit des menschlichen Auges, das Wesentliche einer Szene in sehr hoher Auflösung zu erfassen.

© Fraunhofer IPM

Vorteile der 3D-Laserscanner-Technologie

Bei der Entwicklung der Hardware wurden zum ersten Mal MEMS-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, kann dabei fast frei gewählt werden.

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 werden. Diese Eigenschaft ist insbesondere für Anwendungen im Bereich des maschinellen Sehens und der Robotik interessant.

Herzstück der Taco-Kamera sind die vom Fraunhofer IPMS neu entwickelten MEMS-Scannerspiegel. Die notwendige Treiberelektronik wurde am Forschungszentrum CTR entwickelt und kann bis zu sechs individuelle MEMS-Elemente synchronisiert betreiben und das Umfeld bis zu 25 Mal pro Sekunde abscannen. Dies ermöglicht, durch Kombination mit einer prismatischen Optik zur Elimination von Streulicht und zur Kombination des zurückgestreuten Lichts auf einen zentralen Detektor, eine effektive Empfangsapertur von 5 mm.