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 Brain-Computer-Interface: Wenn der Computer uns intuitiv versteht
18.01.2017 | Technische Universität Berlin

nachricht »Lernlabor Cybersicherheit« startet in Weiden i. d. Oberpfalz
12.01.2017 | Fraunhofer-Gesellschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ein neuer Index zur Diagnose einer nichtalkoholischen Fettlebererkrankung

20.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das Cockpit für Kühlgeräte

20.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Der Hausschwamm als Chemiker

20.01.2017 | Biowissenschaften Chemie