Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Software filtert aus Punktwolken die Objektdaten heraus

27.02.2004


Technologien, die Objekte erfassen, um davon 3-D-Modelle zu erstellen, gibt es einige. Was fehlt sind Programme, die aus den erzeugten Punktwolken die Objektdaten herausfiltern. Sung Joon Ahns Algorithmen tun genau das: Sie segmentieren Punktwolken und erkennen die enthaltenen regelgeometrischen Elemente - vollautomatisch, stabil, hochgenau und schnell.


Ausgangs-Punktwolke


Automatisch segmentierte Punktwolke mit eingepassten Regelgeometrieobjekten © Fraunhofer IPA



Ein "Urelement der Malerei ist der Punkt", stellte Kandinsky 1926 in "Punkt und Linie zu Fläche" fest. Als eigenständiges, ausdrucksstarkes Element hat der Punkt jedoch nur in der Kunst eine Chance. Handwerker, Ingenieure und Designer kommen mit dem nulldimensionalen Punkt allein nicht weit. Ihre Bausteine beim Konstruieren oder Gestalten sind in der Regel die zwei- und dreidimensionalen geometrischen Grundformen Ebene, Kugel, Kegel, Zylinder oder Torus. Die meisten Gegenstände lassen sich zu einem großen Teil mit diesen Objekten darstellen. Ähnliches gilt für Fabrikanlagen. Von neuen Produkten oder Anlagen liegen von Anfang an exakte, digitale 3-D-Modelle vor, auf die Konstrukteure und Fabrikplaner bei Weiterentwicklungen und Veränderungen zurückgreifen können. Ältere Produkte oder Anlagen müssen in der Regel vorher digitalisiert und rekonstruiert werden. Laserscanner, Computertomographen und Koordinatenmessgeräte erfassen sie zwar automatisch, liefern aber nur Punktwolken. Die eigentlichen Objekte aus diesen Punktwolken herauszufiltern um ein CAD-Modell zu erstellen, ist eine langwierige Aufgabe für erfahrene Spezialisten. Meist ist es notwendig, in Handarbeit einzelne Bereiche der Punktwolke auszuschneiden und die passenden geometrischen Elemente zu "fitten".



Sung Joon Ahn hat am Fraunhofer IPA einen kompakten, allgemein verwendbaren Algorithmensatz für das Orthogonal Distance Fitting (ODF) von Kurven und Flächen im zwei- und dreidimensionalen Raum entwickelt, der den Spezialisten diese mühselige Arbeit abnimmt: Im Alleingang segmentieren diese Algorithmen die Punktwolken und passen die entsprechenden regelgeometrischen Objekte ein. Ausgehend von einem beliebigen Startpunkt sucht die vollautomatische Objekterkennung nach einpassbaren Elementen und schneidet die zugehörige Punktmenge aus der Punktwolke aus. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle geometrischen Elemente in der Punktwolke erfasst sind. Die Ausgangsdatensätze müssen keine besonderen Bedingungen erfüllen. "Selbst bei verrauschten Datensätzen und teilweise verdeckten Features haben wir sehr gute Ergebnisse erzielt", berichtet Ahn. Seine Algorithmen liefern sowohl die Form- als auch die Positions- und Rotationsparameter der in die Punktwolke eingepassten Elemente.

Die Kurven- und Flächeneinpassung in eine Punktmenge ist eine grundlegende Problemstellung, die mathematisch meist durch die "Kleinste Quadrate-Approximation" gelöst wird. Auch Ahns Algorithmen basieren auf der "Kleinsten Quadrate-Approximation". Für diese Approximation ist zunächst die Verlustfunktion zu definieren. Bei einer Modelleinpassung in eine Messpunktmenge ist dafür der kürzeste Abstand zwischen Modell und Messpunkt das beste Fehlermaß. Diese Fehlerdefinition schreibt auch die ISO 10360-6:2001 zur Überprüfung der Datenverarbeitungssoftware von Koordinatenmessgeräten vor. "Der kürzeste Abstand verhält sich jedoch im Allgemeinen nicht linear zu den Modellparametern und lässt sich auch nicht durch eine explizite Formel berechnen", skizziert Ahn das Problem. Erst in den letzten Jahrzehnten haben sich zahlreiche Wissenschaftler verstärkt bemüht, einen allgemein gültigen und effizienten ODF-Algorithmus zu entwickeln. Allerdings wurde bislang keine zufriedenstellende Lösung mit vertretbarem Rechenaufwand und gutem Konvergenzverhalten gefunden. Ahns Algorithmen konvergieren sehr gut und zeichnen sich auch durch hohe Laufzeiteffizienz, Robustheit und Genauigkeit aus. Selbst bei schlechten Startparametern genügt die Besteinpassung dem höchsten Genauigkeitsgrad nach ISO 10360-6:2001. Die Algorithmen bringen nicht nur Vorteile bei der Fabrikdigitalisierung und der optischen 3-D-Messtechnik, auch andere Anwendungen profitieren davon. In der Robotik ermöglichen sie beispielsweise neue, intelligentere Software-Lösungen für die Greifersteuerung beim "Griff in die Kiste" oder die Bahnplanung und die Navigation von mobilen Robotersystemen.

Ansprechpartner:

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik
und Automatisierung IPA
Dipl.-Math. Ira Effenberger
Telefon: +49(0)711/970-1853
E-Mail: ira.effenberger@ipa.fraunhofer.de

Michaela Neuner | Fraunhofer IPA
Weitere Informationen:
http://www.ipa.fraunhofer.de

Weitere Berichte zu: Algorithmus Objektdaten Punktwolke

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Datenbrille erleichtert Gehörlosen die Arbeit in der Lagerlogistik
23.02.2018 | Technische Universität München

nachricht Verlässliche Quantencomputer entwickeln
22.02.2018 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics