Teilprojekt 3: Optische Unterwasser-3D-Messtechnik

Optische Messtechnik unter Wasser, insbesondere Photogrammetrie, stellt durch viele Faktoren eine große Herausforderung dar und ist damit gleichzeitig ein aktiver weltweiter Forschungsgegenstand. Durch die limitierten Sichtverhältnisse müssen aufgenommene Bilddaten oftmals zunächst mittels Bildverarbeitung verbessert werden, um sie für eine Auswertung aufzuarbeiten. Auch stellt die Strahlbrechung an den Medienübergängen von Luft zu Glas zu Wasser eine besondere Problematik bei der Kamerakalibrierung unter Wasser dar. Durch diese physikalischen Medieneigenschaften werden Objekte stark verzerrt abgebildet, so dass photogrammetrische Standardverfahren erweitert werden müssen.

In diesem Teilprojekt wird ein kamerabasiertes Multi-Sensor-System zur Positionierung, Navigation und Kartierung von unbemannten Unterwasserfahrzeugen entwickelt. Besondere Herausforderungen sind neben den vorgenannten optischen Eigenschaften des Wassers auch die limitierten Platzverhältnisse, welche spezielle Lösungen für Stromversorgung, Kommunikation und Datenverarbeitung erfordern.

Im Teilprojekt wurde ein optisches Multi-Sensor-System, bestehend aus drei automatisierbaren, hochauflösenden Kameras und zusätzlicher Low-Cost-Sensorik (Inertiale Messeinheit, Short Baseline Positionierung, Thermometer, Barometer, Leitfähigkeitssensor) entwickelt [1, 2]. Aufgrund hoher Datenmengen der Kameras wurde die Daten- und Stromverbindung über ein Ethernetkabel zu einem Rechner an der Oberfläche realisiert. Zur Positionierung wurden drei Kameras mit vor- und rückblickendem Sichtfeld am ROV angebracht und mithilfe verschiedener Auswerteverfahren verarbeitet, sodass in Kombination mit den zusätzlichen Sensoren eine stabile Position geschätzt werden kann. Das Dreikamerasystem bietet den Vorteil, eine robustere geometrische Basis zu schaffen, als es bei vergleichbaren Systemen mit zwei (Stereo) Kameras der Fall ist, um so zeitabhängige Driften zu vermeiden. Das Kamerasystem ist modular aufgebaut und lässt sich flexibel sowohl in den BlueROV2 als auch in beliebige andere Unterwasserplattformen integrieren (siehe Abbildungen 1 und 2). Eine eigens entwickelte Auslösung und zentrale Datenverwaltung auf einem Einplatinenrechner gewährleisten einerseits die Synchronisierung der drei Kameras untereinander und bietet andererseits eine Schnittstelle zur Integration weiterer Sensoren. Die bislang kabelgebundene Variante soll perspektivisch, auch über das Vorhaben hinaus, durch eine kabellose Variante ersetzt werden, um höhere Flexibilität in Anwendungen und Integration in andere Plattformen zu erreichen.

Zur Berücksichtigung der Strahlbrechung wurde eine Bündelausgleichung mit expliziter Modellierung des Mehrmedienfalls nach dem Ray-tracing-Ansatz von Mulsow [5] entwickelt. Die Software wurde objektorientiert in C++ geschrieben und fügt sich in die bestehende Softwarebibliothek am IAPG nahtlos ein. Durch Nutzung einer leistungsfähigen Optimierungsbibliothek [6], konnte die ansonsten sehr hohe Rechenzeit maßgeblich reduziert und so auch große Gleichungssysteme mit mehreren tausend Beobachtungen und Unbekannten in wenigen Minuten (Mehrmedienfall) oder Sekunden (Standardmodell) gelöst werden. Derzeit wird eine Publikation zum Thema in einer Fachzeitschrift vorbereitet. Hier wird die spezielle Bündelausgleichung ebenso wie eine innovative Weiterentwicklung des Ansatzes nach Mulsow thematisiert. Die Publikation erscheint voraussichtlich im vierten Quartal 2021. Die Bündellösung ist weiterhin modular aufgebaut, verschiedene Kameramodelle können integriert werden und die Anwendung ist nutzerfreundlich dokumentiert.