3D in der Tiefsee
RGB-Lasermodule für 3D-Unterwasser-Scanner in U-Booten
Der kanadische Hersteller Kraken Robotics nutzt Flexpoint-Lasermodule in einem dualen RGB-Laserscanner, der bei wechselnden Bedingungen unter Wasser in einem automatisierten U-Boot eingesetzt wird.
Flexpoint-Module von Laser Components sorgen auch unter Wasser für hochauflösende Scans. (Bild: Kraken Robotics/NOAA)
Das System wurde als eigenständige Lösung für den Einsatz in unbemannten und ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (Remotely-Operated Vehicles, ROV) entwickelt. Es soll vor allem bei der Inspektion von Unterseekabeln, Schiffsrümpfen, Ankerketten, Schiffsschrauben und Pipelines eingesetzt werden bzw. für die Analyse des Korallenwachstums. Die ROVs können dabei in Tiefen vordringen, die für Menschen lebensgefährlich wären. Mit dem SeaVision-System ist es möglich, farbige 3D-Rekonstruktionen der Strukturen in metrisch exakter Größe zu erzeugen und so mögliche Schäden aufzuspüren. Es besteht aus zwei drucksicheren zylindrischen Scannereinheiten von 460x133mm. In jeder befindet sich eine hochempfindliche Low-Light-Kamera mit einer Auflösung von 1.280×960 Pixel und einer Bildrate von 144fps sowie je drei Flexpoint MVnano Module von Laser Components (rot, blau und grün). Die Laser sind im Inneren an einer drehbaren Einheit montiert und können angesteuert werden. Für die Ausleuchtung sind zusätzliche LEDs auf dem Board montiert, um auch in der Tiefe für die nötige Beleuchtung zu sorgen. Laser verschiedener Farben bzw. Wellenlängen verhalten sich unter Wasser unterschiedlich. Schwankungen in Temperatur und Salzgehalt, Oberflächenfarben sowie im Wasser gelöste Gase und Schwebstoffe beeinflussen die Laserabsorption, Streuung und Reflexion. Dabei wird rotes Licht am stärksten absorbiert, während kürzere, blau-grüne Wellenlängen höhere Eindringtiefen aufweisen. Durch die Auswahl der jeweiligen Laserwellenlängen lassen sich die RGB-Laserscanner individuell auf die Anwendung optimieren.
Millimetergenauer HD-Scan einer Schiffsschraube. (Bild: Kraken Robotics)
Aufbau des Messsystems
Jede Kamera erfasst die Laserstrahlung der jeweils anderen Einheit, sodass ein duales Streifenlichtscanning-System (structured Light) entsteht, das eine 3D-Rekonstruktion mit hoher Tiefenauflösung ermöglicht. Die Basislinie der beiden Einheiten lässt sich dabei zwischen 20cm und 2m anpassen. So ist es möglich, das System an einer Vielzahl verschiedener Fahrzeuge zu installieren – von reinen Beobachtungsdrohnen bis hin zu großen Unterwasserrobotern für Arbeitseinsätze. Bei kleineren Fahrzeugen und geringen Arbeitsabständen wird meist eine kurze Basislinie verwendet während die Sensorelemente bei großen Entfernungen weiter auseinander liegen. Die Genauigkeit der Tiefenauflösung der Laserscanner ist direkt von der Basislinie abhängig: Je länger die Basislinie, umso besser die Scanqualität. Um optimale Scans zu erreichen, müssen die Sensorsysteme für jedes Fahrzeug kalibriert werden. Das geschieht über ein softwarebasiertes Autokalibriersystem. SeaVision deckt ein Sichtfeld von 80×50° ab. Die Scan-Rate beträgt 0,1 bis 1Hz und der Arbeitsbereich liegt von 50cm bis 8m. Auf eine Entfernung von 2m erreicht der Scanner eine Auflösung von 0,1 bis 3mm; bei einem Abstand von 5m beträgt sie 1 bis 10mm. Als Ergebnis der Messungen entsteht eine Punktwolke. Der interne Grafikprozessor erstellt aus den Daten ein 3D-Modell, das dann zur Messung unterschiedlicher Parameter interpretiert wird. Nach Herstellerangaben kann ein vollständiger 3D-Scan von bis zu 1,2Mio. Bildpunkten in nur vier Sekunden verarbeitet werden. Im Vergleich zu 2D-Bildern können 3D-Punktwolken zusätzliche quantitative Informationen liefern, z.B. um das Volumen eines Objekts zu bestimmen. Auch die Unterschiede zwischen zwei Punktwolken können ausgewertet werden, um beispielsweise die Lebenserwartung einer Opferanode zu ermitteln.
Bis zu 6.000 Meter Tiefe
Im Einsatz wird das ROV zu dem Punkt gesteuert, an dem eine Messung durchgeführt werden soll. Dabei kann sich das Kontrollpersonal mit einer Kamera einen Überblick verschaffen. Am Einsatzort wird der Messvorgang gestartet und die Laser tasten die Umgebung ab. Eine besondere Herausforderung ergibt sich dadurch, dass sowohl Trägerfahrzeug als auch oft das zu scannende Objekt während des viersekündigen Scanvorgangs nicht vollständig ruhig steht. Ein eigens entwickelter Algorithmus erfasst die Bewegung des Fahrzeugs ohne zusätzliche Sensoren und passt die Messergebnisse anhand dieser Daten an. Je nach Bauart kann das Scannersystem in Tiefen bis zu 3.000m eingesetzt werden. Im Rahmen eines speziellen Kundenauftrags entwickelt Kraken Robotics eine Variante für Tiefen bis zu 6.000m. SeaVision wird bereits erfolgreich auch zur Digitalisierung von Unterwassereinrichtungen eingesetzt. Alle von den Scannern erfassten HDR-Fotos und Punktwolken werden in die Cloud hochgeladen und dort von einer speziellen Software verarbeitet, welche die Daten zusätzlich mit Anmerkungen und Standortdaten versehen. Die Analyseplattform nutzt eine künstliche Intelligenz zur Zielerfassung, um Veränderungen auszuwerten und einer Vielzahl anderer Messmöglichkeiten in Relation zueinander zu setzen.
