Generierung von 3D Objekt- und Umgebungsmodellen mit bildgebendem Sonar

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Birk
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535678995

Beim Einsatz von Unterwasserrobotern sind 3D Objekt- und Umgebungsinformationen nützliche Missionsergebnisse und sie bilden zudem wichtige Grundlagen für maschinelles Handeln, d.h. die Nutzung (teil-)autonomer Systeme. Verschiedene optische Verfahren werden bereits sehr erfolgreich für die Generierung von Unterwasser 3D Daten eingesetzt. Allerdings sind die notwendigen Sichtverhältnisse in vielen Umgebungen kaum bis gar nicht gegeben. Für Sonar als Alternative ist die Generierung von 3D Daten dagegen noch eine große wissenschaftliche Herausforderung. In diesem Projekt wird die Erzeugung von 3D Informationen aus den 2D Daten eines bildgebenden Sonars erforscht, das auch als Akustische Kamera bekannt ist. Anders als der Name suggeriert, unterscheidet sich die Art der Projektion dieses Sonartyps stark von der einer optischen Kamera. Die Daten sind auf einer der beiden Bildachsen nach Entfernungen und nicht wie beim Lochkameramodell nach Winkel geordnet. Dadurch können mehrere, sehr unterschiedlich in der Szene platzierte Punkte auf einen Punkt im Bild projiziert werden. So kommt es z.B. in 3D Umgebungen oder bei Objekten zu erheblichen Verzerrungen im Vergleich zu den Erwartungen gemäß des menschlichen Sehens. Als weitere Nachteile haben diese Sonarbilder eine recht geringe Auflösung und sind stark durch Rauschen beeinträchtigt. Die dadurch entstehenden Herausforderungen werden wie folgt adressiert. Erstens wird eine Reformulierung der bekannten optischen Methode des Bündelausgleich für die spezielle projektive Geometrie eines bildgebenden Sonars entwickelt. Insbesondere sollen dabei die entstehenden Mehrdeutigkeiten repräsentiert und in der Optimierung berücksichtigt werden. Zudem wird der zusätzliche vierte Freiheitsgrad (Skalierung) spektraler Registrierungsmethoden als weitere Nebenbedingung genutzt. Zweitens werden neue Methoden erforscht, die eine robuste Registrierung mit vier Freiheitsgraden (Translation, Rotation, Skalierung) von stark verrauschten 2D Daten erlauben. Dabei soll auch die Nutzung dieser frequenzbasierten Methoden als Bildmerkmale, d.h. zum Finden von Korrespondenzen zwischen Punkten in Sonarbildern, erforscht werden. Ziel ist es, eine Qualität in den 3D-Daten zu erreichen, die weit über den Stand der Forschung hinaus geht und somit die Grundlagen schafft, die eine Nutzung der entwickelten Verfahren und Methoden in relevanten Szenarien ermöglicht. Alle entwickelten Methoden werden daher auch intensiv in realen Systemen in realistischen Umgebungen evaluiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen