Erweiterte Drohnenvideos für Bauüberwachung

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Erweiterte Drohnenvideos für Bauüberwachung

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Die erweiterte Realität, auch AR genannt (Augmented Reality), ist eine faszinierende Technik, die unsere gesamte Lebensweise und Interaktion mit unserer Umwelt verändern könnte.  Leider wird diese Technik im Hochbau bis jetzt noch kaum verwendet, unter anderem aufgrund der Hürden, die bei der visuellen Integration digitaler Objekte mit Live-Aufnahmen überwunden werden müssen. Von Stéphane Côté

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Um die erweiterten Elemente auf einem Tablet-PC jederzeit am richtigen Platz anzeigen zu können, muss die AR-Anwendung dessen genaue Position in Echtzeit kennen – dies ist eine Grundanforderung der AR. Auf einem mobilen Gerät ist dieses Problem nur schwer zu lösen, da die eventuell erforderlichen zahlreichen Sensoren und umfangreichen Berechnungen ein kleines Gerät mit beschränkter Batteriekapazität leicht überfordern können.

Ursprüngliche Tracking-Lösungen erleichtern den Vorgang durch Verwendung von Markierungen (QR-Codes) Die Kamera des Tablet-PC nimmt hierzu eine Live-Aufnahme der entsprechenden Szene auf, die eine bestimmte Markierung enthält. Anhand der Form und Ausrichtung der Markierung kann die AR-Anwendung dann die Position des Tablet-PCs mit angemessener Genauigkeit berechnen. Diese Methode funktioniert zwar gut, hängt aber von der Anwesenheit einer Markierung im Sichtfeld der Kamera ab. Je nach den jeweiligen Umständen müssen eventuell eine große Anzahl an Markierungen installiert werden.

 

Aerotriangulation

 

Später ermöglichten fortgeschrittene Bilderkennungs-Techniken wie „SLAM“ eine Lokalisierung ohne Markierungen. Um die Position der Kamera zu berechnen, verwendet SLAM sichtbare Merkmale der physischen Umgebung, wie Kanten, Ecken und andere besondere, im Video erscheinende Kennzeichen.  SLAM erspart zwar die Installierung von Markierungen, aber nachdem all diese Techniken von Video-Aufnahmen und damit in bedeutendem Maße von der Umgebung abhängen, können Faktoren wie eine schlechte Beleuchtung oder schwache Kontraste zu „verwackelten“ oder falsch positionierten Erweiterungen führen. Die Wissenschaft hat das Problem der genauen Lokalisierung der Kamera noch nicht gut genug gelöst, um in allen Situationen eine Erweiterung zu ermöglichen.

Dabei ist die Kenntnis der genauen Position der Kamera nicht nur für AR wichtig. Denken Sie zum Beispiel an Techniken wie die ContextCapture-Software von Bentley Systems, die einfache Fotos in 3D-Raster umwandelt. Die Anwendung ist kinderleicht: die gewünschte Umgebung wird unter Befolgung einiger Grundregeln fotografiert, und das Programm erstellt daraufhin ein fotografisches 3D-Modell. Die Ergebnisse überraschen mich immer wieder…

Um aus Fotos ein solches Raster zu errechnen, muss ContextCapture zuerst mittels eines Prozesses namens „Aerotriangulation“ eine Übereinstimmung zwischen Merkmalen auf verschiedenen Fotos feststellen und die relative Position und Ausrichtung jedes Fotos genau bestimmen. Dieser Prozess findet offline statt und kann mehrere Minuten in Anspruch nehmen, aber er liefert eine sehr genaue Messung… der Kameraposition!  Nachdem ContextCapture kostenlos die Position der Kamera für jedes Foto liefert, haben wir uns gefragt, ob wir diese Information nicht zu einer Erweiterung der entsprechenden Fotos verwenden könnten.

Wir testeten unsere Hypothese auf folgende Weise:
  • Wir ließen eine Drohne um unser ortsansässiges Bentley-Büro fliegen und nahmen dabei ein Video des Gebäudes und der gerade ablaufenden Bauarbeiten für einen Ausbau der zweiten Etage auf.
  • Dann erstellten wir mithilfe der ContextCapture-Technik aus allen Einzelbildern dieses Videos ein Modell der Szene.
  • Anschließend glichen wir dieses Raster mit einem BIM-Modell unseres Gebäudes ab.
  • Zum Schluss verwendeten wir die errechneten Positionen und Ausrichtungen jedes Einzelbildes, um das Raster mit den Daten des BIM-Modells zu erweitern.

Das Ergebnis zeigt eine sehr gleichmäßige und über die Einzelbilder hinweg gut übereinstimmende Erweiterung.

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Natürlich kann man bei diesem Test nicht wirklich von erweiterter Realität sprechen, denn das Modell steht nicht in Echtzeit zur Verfügung. Die Berechnung der Erweiterung dauerte aufgrund der Aerotriangulation mehrere Minuten.  Die errechneten Kamerapositionen sind allerdings sehr genau und sorgen für eine sehr gleichmäßige Erweiterung.

Solche Offline-Erweiterungen können sich trotz allem als sehr nützlich erweisen.  Nehmen wir zum Beispiel an, es ginge um die tägliche Überwachung einer Baustelle, wobei Verzögerungen oder Fehler im Bauablauf entdeckt werden sollen. Sie könnten unter Verwendung normaler AR-Technik für mobile Geräte mit Ihrem Tablet-PC die Baustelle ablaufen und dabei in Echtzeit eine erweiterte Abbildung der Baustelle betrachten und so Fehler und Verzögerungen sofort feststellen – immer unter der Annahme, dass die AR-Anwendung in solch einer dynamischen Umgebung ihre Position genau berechnen kann. 

Andernfalls könnten Sie regelmäßig eine Drohne über die Baustelle fliegen lassen und dabei Fotos aufnehmen. Diese Fotos könnten anschließend auf einen Server in der Cloud übertragen und dort in ein Raster umgewandelt werden. Nach Angleichung an das BIM-Modell könnten die Bilder nun um die Informationen des Modells erweitert werden.  Nur ein paar Minuten nach Aufnahme der Bilder könnten Sie dann in Ihrem Büro die erweiterten Fotos überprüfen, Verzögerungen und Fehler im Bauprozess erkennen und auf etwaige Besonderheiten hinweisen, die eine umgehende Reaktion erfordern.  Diese Methode würde Ihnen nicht nur zahlreiche Besuche der Baustelle ersparen. Sie könnten auch häufigere Kontrollen durchführen, die Erweiterung wäre wahrscheinlich wesentlich gleichmäßiger und genauer als bei Verwendung eines mobilen Geräts vor Ort und der Prozess würde Bilder aus Blickwinkeln liefern, die Sie während eines Besuchs der Baustelle nicht erreichen könnten. 

Eine solche Lösung wäre bei großen Infrastrukturprojekten sehr nützlich, zumindest für die äußere Hülle des Bauobjekts.  Manche Drohnen können allerdings inzwischen ihre Umgebung genau genug erfassen, um innerhalb von Gebäuden zu fliegen, dabei Hindernisse zu „sehen“ und zu vermeiden und während ihres Flugs eine Karte der Umgebung zu erstellen.  Sie können sich sicher die zukünftigen Möglichkeiten vorstellen.

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