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PMD-2.0 – Ein Durchbruch in der 3D-Bildgebung

Die grundlegende pmd-Technologie wurde im Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) der Uni-versität Siegen von Prof. Schwarte und seinen Mitarbeitern vor nunmehr 20 Jahren erfunden, in der 2002 als Spinoff gegründeten Firma pmdtechnologies zur heutigen Reife entwickelt, war zwischenzeitlich ein heißer Kandidat für den Deutschen Zukunftspreis und wird heute als Produkt auf dem Weltmarkt vertrieben. Gute Ideen bleiben selten allein – zwischenzeitlich sind viele global Player mit ähnlichen Produkten auf dem Markt getreten – neue Ideen erzeugen Innovationssprünge und in der Regel technologisch hochwertige Konkurrenz. Der Wettbewerb um die leistungsfähigsten 3D-Bildgebungsverfahren ist voll entbrannt.
In diesem Zusammenhang ist dem ZESS in enger Kooperation mit der Firma pmdtechnologies ein neuer technologischer Durchbruch gelungen: die Erkennung und Eliminierung von sogenannten Mehrzielreflexionen, die das Messergebnis beliebig verfälschen. 
Zur Erklärung ein kleiner technisch vereinfachter Exkurs: 3D-entfernungsmessende bildgebende Systeme gewinnen bildpunktweise Entfernungsinformation zwischen der Kamera und dem betreffenden Objektpunkt. Sie messen dazu die (extrem kurze) Lichtlaufzeit zwischen dem Aussenden eines Lichtsignals und dem Wiedereintreffen der Reflexion vom Objekt.  Viele dieser sogenannten lichtlaufzeitmessenden, bildgebenden Systeme (Time of Flight Imaging, TOF) messen diese Lichtlaufzeit in Form einer Phasenverschiebung zwischen der ausgesendeten Lichtwelle und der wieder eintreffenden Reflexion. Kehrseite der hierdurch erreichten technischen Vereinfachung ist das allgemein bekannte Problem von Mehrfach-Reflexionen: Gibt es innerhalb eines Pixels zwei oder mehr Lichtechos aus unterschiedlichen Entfernungen, oder treten Mehrfachechos an durchsichtigen Objekten auf, überlagern sich die reflektierten modulierten Wellen zu einer Welle mit veränderter Modulations-Phasenlage: Die Phasenmessung zwischen gesendeter und wieder empfangenen Modulation ergibt eine beliebig falsch gemessene Distanz. Nahezu alle Hersteller von 3D-Bildsensoren kennen dieses Problem – gute Lösungen für diese Problematik waren bisher extrem selten.

PMDMiguel
Hier ist den Forschern des ZESS unter Federführung von Herrn Dr. Miguel Heredia Conde, der sich bereits in seiner preisausgezeichneten Doktorarbeit unter Betreuung von Prof. Loffeld intensiv mit der Lösung dieser Problematik unter Einbeziehung der neuen mathematischen Theorie des „Compressed Sensings“ beschäftig hat, ein entscheidender Durchbruch hinsichtlich der Realisierung gelungen: In enger Kooperation mit den Entwicklern der Firma pmdtechnologies wurde ein parametrisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt, wel-ches mit nur geringfügigen Veränderung der pmd-Sensorik Mehrfachziele trennt und des-halb fehlerfreie 3D-Entfernungsmesswerte erzeugt – und dies mit aktuellen Bildraten von bis zu 10 Hz. Als schöne Folge hiervon wird sogar das 3D-Imaging  durch Fensterscheiben oder nur teilweise durchsichtige Trennflächen möglich, was vorher nicht der Fall war

Vorgestellt wurden die Ergebnis der Forschungskollaboration zwischen dem Zentrum für Sensorsysteme (M. Heredia Conde, O. Loffeld) dem Imperial College London (A. Bhandari) und der Firma pmdtechnologies (B. Buxbaum, Th. Kerstein) erstmalig als Demonstrator auf der International Conference on Accoustics Speech and Signal Processing, ICASSP2019 in Brighton (12.05.2019-17.05.2019). 
   


Technisch Interessierte finden weitere Informationen auf der Linkedin Seite des ZESS https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:6567019921929195520, auf Twitter https://twitter.com/ZESS07441740/status/1161636668635586561 oder mit mehr Details auf der Website des ZESS https://www.uni-siegen.de/zess/ese.home/personen/conde.html..

Die Demonstration der technischen Machbarkeit und der fast „magischen“ Möglichkeiten neuer Signalverarbeitungsverfahren war dermaßen beeindruckend für die Experten, dass das ZESS in der Folge zu einer weiteren Demonstration auf der Weltmesse der Sensorik, der IEEEE Sensors 2020 (27.-29. Oktober 2020) in Montreal motiviert wurde. 
Die Vorbereitungen  laufen auf Hochtouren. Dr. Miguel Heredia Conde: “IEEE Sensors is the worldwide reference conference on sensors, bringing together around 1000 experts from all over the World. Presenting a demonstrator at IEEE Sensors allows us sharing our advances with other key players in the sensors community in an interactive fashion and consolidating the privileged position of ZESS in the premier league of sensing. “