Visuelle Kartierung und Quantitatives Maschinensehen in der Tiefsee

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kevin Köser
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396311425

Stereorekonstruktion, Photogrammetrie, 3D-aus-Bewegung, kurz "maschinelles Sehen", sowie quantitative Bildgebung stellen wichtige Technologien dar, um Satelliten- oder Luftbilder zu verarbeiten und werden auch in der Vermessung und zunehmend auch in Drohnen, autonomen Fahrzeugen oder Robotern eingesetzt. Die Tiefsee hingegen konnten diese Technologien bisher nicht erobern, da die Sicht unter Wasser durch Lichtabsorption und –streuung stark beeinträchtig ist und Lichtbrechung spezielle mathematische Beobachtungsmodelle benötigt. GPS-ähnliche akustische Verfahren zur Bestimmung der absoluten Position in der Tiefsee bringen in der Praxis in mehreren km Wassertiefe häufig systematische Fehler und Unsicherheiten von einigen 10m bis einigen 100m mit sich. Die totale Dunkelheit erfordert es, Tauchroboter mit aktiver Beleuchtung auszurüsten (Rückstreuprobleme) und die sich in der Finsternis bewegenden Lichtkegel erschweren die visuelle Lokalisierung und Szenenrekonstruktion massiv. Trotz optischer Kartierung sogar von Mond und Mars fehlen der Menschheit systematische visuelle Karten und hochaufgelöste 3D Modelle der Tiefsee. Das Ziel dieses Projektes ist es, das maschinelle Sehen unter Wasser voranzutreiben und Kameras als quantitative Messinstrumente nutzbar zu machen. Neben vielen wissenschaftlichen Anwendungen ermöglichst dies ultimativ auch die automatisierte, großflächige visuelle Erkundung und Kartierung des größten unerforschten Gebietes auf der Erde: der Tiefsee.Konkret zielt das Projekt auf die photometrische und geometrische (Auto-)Kalibrierung, naturgetreue Farbkorrektur sowie das Finden und Ausnutzen von korrespondierenden Punkten in verschiedenen Bildern trotz dynamischer Beleuchtung, Brechung und schlechter Sicht ab. Solche Korrespondenzen spielen eine wichtige Rolle im Kartierungsprozess, d.h. bei der Kameralokalisierung, Mehrbildbeziehungen, Bildregistrierung, Schätzung der Oberflächengeometrie und auch bei der Wiedererkennung bekannter Orte. Im Detail beinhalten die Ziele des Projektes weiterhin,photometrische (Auto-)Kalibriertechniken herzuleiten, die abstandsunabhängige Farbvergleiche ermöglichen (trotz Wasser und auch bei bewegten Lichtquellen),klassische markante Bildmerkmale sowie dichte Oberflächenrekonstruktion auf ihre Tiefseetauglichkeit zu untersuchen und zu erweitern (Streuung, Unschärfe und dynamische Beleuchtung),die natürlichen Oberflächenfarben aus “getrübten” Unterwasserfotos zurückzugewinnen,visuelle Erkennung bekannter Orte auf den Tiefseefall zu erweitern (dynamische Beleuchtung, eingeschränkte Sicht)und letztendlich die gewonnen theoretischen Erkenntnisse auf aktuelle Fragestellungen aus der Ozeanforschung anzuwenden, wie z.B. Entstehung schwarzer Raucher, Habitatkartierung, Gasaustritt am Meeresboden, Ressourcenquantifizierung oder Folgenabschätzung für Tiefseebergbau.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen