Neue Unterwasser-Inspektionskamera mit 3D-Lichtlaufzeit-Technik
Im Wasser schwebende Partikel können die Umgebung trüben, und wenn sie undurchsichtig erscheinen, beeinträchtigen sie die Sicht. Nebel ist ein bekanntes Beispiel für dieses Phänomen, bei dem kleine Wassertröpfchen in der Luft sowohl den Menschen als auch den bilderzeugenden Systemen die Sicht erschweren. Beim Fahren im Nebel blendet das Einschalten der Scheinwerfer den Fahrenden, wobei es zu einem Weißblendungseffekt kommt, bei dem das Scheinwerferlicht vom Nebel zurückreflektiert wird – was als Rückstreuung bekannt ist. Das von der EU geförderte Projekt UTOFIA (Underwater Time Of Flight Image Acquisition system) löste dieses Bildgebungsproblem durch Emittieren sehr kurzer Lichtimpulse, zeitlich abgestimmt auf den Verschluss einer Kamera, im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Lichtstrahl (analog wie beim Autoscheinwerfer). UTOFIA entwickelte Prototypen für ein kommerzielles Unterwasser-Inspektionssystem mit 3D-Lichtlaufzeit-Technik, die für die Meereswissenschaften, die Umweltüberwachung im öffentlichen Sektor, die Bestandsbewertung im Bereich kommerzielle Fischerei/Aquakultur und Unterwassertechnologien wie etwa die kartografische Erfassung des Meeresbodens von Interesse ist. Langfristig könnten die Systeme die autonome Funktion von Unterwasserfahrzeugen unterstützen. Eine Generation der Verbesserungen Projektkoordinator Jens Thielemann erläutert die Grundprinzipien der UTOFIA-Technik wie folgt: „Da sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegt, kehrt das von den Teilchen in einer trüben Umgebung reflektierte Licht vor dem von den zu beobachtenden Objekten reflektierten Licht in die Kamera zurück. Mit dem Schließen des Verschlusses beim Eintreffen von Licht aus dem trüben Wasser und dem Öffnen des Verschlusses, wenn Licht von den Objekten eintrifft, wird die Rückstreuung im Bild beseitigt oder reduziert.“ Nach diesem Prinzip baute das gesamteuropäische Team dreimal sein Bildgebungssystem auf. Und jedes Mal, wenn das Team auf dem über die physikalischen Eigenschaften der Systemkomponenten Gelernten aufbaute, verfeinerte es seine ichtlaufzeit-Methodik, wobei sich ein detaillierteres Verständnis darüber entwickelte, wie Halbleitertechnologien funktionieren, wenn sie nanosekundenlangen Ereignissen ausgesetzt sind. Diese Anstrengungen resultierten darin, dass das System in der Größe um den Faktor sechs verkleinert wurde. Überdies erhöhte sich die Laserleistung um den Faktor vier und die Präzision der dreidimensionalen Wiedergabe stieg auf das Zehnfache des Originals. Da es ein ganzes Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten gibt, wurde die Technik für eine Reihe von Szenarien erprobt. Die Kamera wurde zum Beispiel in Spanien zur Schätzung von Biomasse für den Aquakultursektor eingesetzt, wobei das Team sowohl mit den 3D-Daten als auch mit den resultierenden Bildern zufrieden war. Ebenso vielversprechend waren die ersten Versuche für Nahbereichs-Unterwassernavigationssysteme für ferngesteuerte und unbemannte Unterwasserfahrzeuge. Dieser Weg birgt viel Potenzial. Gute Aufnahmen des Meeresbodens könnten beispielsweise sowohl zur quantitativen Bewertung von Abfallaufkommen und Verschmutzung (nützlich für die Gestaltung und Durchsetzung von politischen Strategien) als auch als Ausgangspunkt für Reinigungsarbeiten dienen. Das möglicherweise größte Potenzial liegt in der automatischen Überwachung, quantitativen Bewertung und Charakterisierung (Größe, Arten und Verhalten) der Tier- und Pflanzenwelt des Meeres. Diese Sache im Auge behalten Gegenwärtig arbeitet das Team an der Kommerzialisierung der Technologie durch den Projektpartner Subsea Tech. Für dieses Jahr werden erste Verkäufe erwartet. „Vor UTOFIA stand keine Vollfeld-Echtzeit-3D-Technik mit einer Reichweite von mehreren Metern zur Verfügung. Die vorhandenen Konzepte konnten entweder kein vollständiges Bild (es wurde nur eine einzelne Zeile gescannt) oder nur ein unvollständiges Bild mit begrenztem 3D-Betrachtungsbereich (Stereo) liefern“, erklärt Thielemann. „UTOFIA ist außerdem das erste System, das eine Entfernungssteuerung unter Einsatz eines CMOS-Array-Sensors durchführt, was es wesentlich kostengünstiger werden lässt.“ Um die nächste technologische Stufe zu erreichen, werden die Bildverarbeitungsalgorithmen für die Überwachung von Aquakultur und Fischerei weiterentwickelt. Zu diesem Zweck hat sich das Team die Finanzierung der beiden Folgeprojekte SMARTFISH und BIOSYS gesichert. Und es ist sogar im Gespräch, diese Technik ins Weltall zu bringen!
Schlüsselbegriffe
UTOFIA, trüb, Kamera, Unterwasser, Überwachung, 3D, Bildgebung, Unterwasser, Meeres-, Aquakultur, autonom
