Active Random Hypersurface Models: Simultane Form- und Lageschätzung ausgedehnter Objekte in verrauschten Punktwolken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe D. Hanebeck
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234520279

Die kontinuierliche Lageschätzung (tracking) von schnell bewegten ausgedehnten 3D-Objekten aus verrauschten Punktwolken der Oberfläche ist ein grundlegendes Problem in vielen Anwendungen. Dazu gehören Sicherheitstechnologien im Automobilbereich, intuitive Steuerungskonzepte für Unterhaltungsmedien, Telepräsenzanwendungen oder auch industrielle Fertigung. Die Objekte werden mit verschiedenen Sensoren wie Laserscannern, Tiefenkameras, Multikamerasystemen oder Radaren erfasst.Dabei werden durch Verdeckungen zu einem Zeitpunkt jeweils nur Teile der Objekte erfasst. Zudem schwankt die Unsicherheit der Messungen in Abhängigkeit vom Abstand zum Sensor. Um die gewünschte Lagegenauigkeit zu erreichen, müssen also über mehrere Messzeitpunkte hinweg Informationen über das sich bewegende Objekt akkumuliert werden. Damit ist die Form der Objekte, selbst wenn sie nicht das primäre Ziel der Schätzung darstellen sollte, von fundamentaler Bedeutung. Für die Modellierung der Form sollen in diesem Antrag zwei bewährte Konzepte, Random Hypersurface Models (RHMs) und Active Contours zu so genannten ARHMs kombiniert werden, welche dann als Grundlage für ein modellbasiertes Schätzverfahren zur simultanen Bestimmung von Lage und Form dienen. Mittels RHMs lassen sich verrauschte Messungen mit der Objektform durch eine explizite Messgleichung mit multiplikativem Rauschen in Beziehung setzen. Die Grundidee ist es hierbei, die Objektform mittels transformierter Grundformen darzustellen, wobei jede transformierte Grundform mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auftritt. Beispielsweise kann ein Zylinder durch die Extrusion eines Kreises dargestellt werden. Diese Modellierung ermöglicht darüber hinaus, Informationen aus gemessenen Punktwolken zu extrahieren, ohne Kenntnis deren exakten Ursprungs von der Objektoberfläche zu kennen. Der wesentliche Forschungsbeitrag ist die Erweiterung der RHMs zur Beschreibung dreidimensionaler Objekte. Dabei sollen zunächst Objekte mittels dreier neuer Typen von RHMs modelliert werden, die durch Kombination die Modellierung komplexer, sowie artikulierter Objekte zulassen. Durch Verwendung von Symmetrien und Transformationsinvarianzen lassen sich Redundanzen bei der Repräsentation vermeiden und selbst komplexe Formen mit nur sehr wenigen Parametern darstellen. Durch Regularisierung, basierend auf Active Contours sollen Annahmen über noch nicht beobachtete Teile getroffen werden.Als Ergebnis dieser nichttrivialen Kombination von RHMs und Active Contours erwarten wir eine Schätzmethode, die sowohl zuverlässig die Lage bewegter 3D-Objekte basierend auf einer vereinfachten Form schätzt, als auch sehr effizient arbeitet, da sich für die Schätzung vieler Formmodelle geschlossene Ausdrücke herleiten lassen. Insgesamt erwarten wir, dass das neue Verfahren einen signifikanten Beitrag zur Forschung zum Tracking von 3D-Objekten leisten wird, da es ein solides mathematisches Fundament aufweist und trotzdem intuitiv verständlich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen