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Zusammenfassung (Deutsch)

Die grundsätzliche Zielsetzung von intelligenten Systemen zur Überwachung von Innenräumen

besteht in der automatisierten Interpretation von Aktionen in dem zu betrachtenden Gebiet. Eine

Prämisse hierfür ist die Fähigkeit der Detektion, Lokalisation, Verfolgung und Klassifikation von

Objekten im entsprechenden Zielbereich.

Entscheidend für die Konzeption eines Überwachungssystems ist weiterhin das primäre

Einsatzgebiet. Während für kleine Überwachungsbereiche und unter der Annahme nur weniger

gleichzeitig vorhandener Objekte eventuell die Verwendung eines einzelnen Sensorsystems

ausreicht, bedarf es im Fall größerer Bereiche, mit mehreren gleichzeitig vorhandenen und zu

verfolgenden Objekten, in der Regel einer verteilten und miteinander kooperierenden Sensorik.

Ein in letzter Zeit verstärkt verfolgter Ansatz zur Steigerung der Leistung der Prozesse von

Detektion, Lokalisation und Klassifikation liegt dabei in der Verwendung einer Kombination von

2D- und 3D-Informationen, welche, je nach Anforderung, auf Pixel-, Merkmal- oder

Entscheidungsebene miteinander fusioniert werden. Die Kombination unterschiedlicher Systeme

zu 2D/3D-Messsystemen ist jedoch keineswegs trivial. Zunächst bedarf es im Falle der

Betrachtung beweglicher Objekte einer zeitlichen Synchronisation der anfallenden Daten. Im

Hinblick auf eine effektive Fusion ist weiterhin eine Registrierung der Daten der unterschiedlichen

Quellen notwendig. Tritt zusätzlich die Notwendigkeit einer koordinierten Verwendung mehrerer

Systeme auf, so kann das aufgrund der sich ergebenden Komplexität in Bezug auf die Handhabung

der informationsliefernden Einheiten in einer inakzeptablen Operation des Gesamtsystems

münden.

Die am Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) entwickelte MultiCam, ein zurzeit einmaliges

Sensorsystem zur kombinierten Akquisition von CMOS-basierten Intensitäts- (2D) und Time-ofFlight (ToF) basierten Distanzdaten (3D) einer gesamten Szene, erlaubt aufgrund ihres

monokularen Aufbaus eine drastische Vereinfachung der Registrierung der 2D- und 3DInformationen. Weiterhin ermöglicht die interne Logik, untergebracht in einem dedizierten FPGA,

eine akkurate Synchronisation der unterschiedlichen Informationsströme. Durch die Reduktion der

Komplexität der Prozesse der Registrierung sowie Synchronisierung der 2D- und 3D-Daten bietet

sich die Möglichkeit der Kombination einer Vielzahl von simultan operierenden MultiCams zu

einem Überwachungssystem an, mit im Vergleich zu konventionellen 2D/3D-Systemen drastisch

vereinfachter Handhabung.

Bedingt durch den Einsatz der ebenfalls am ZESS entwickelten Beleuchtungseinheiten, erlauben

die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten MultiCams die Überwachung eines Distanzbereichs bis

ca. 9 m bei einer Bildwiederholrate von 20 Bildern pro Sekunde. Dieses entspricht einem

Entfernungsbereich, der zurzeit von ToF-Systemen vergleichbarer Art nur unter Einsatz erhöhter

Integrationszeiten und somit reduzierter Bildwiederholraten abgedeckt werden kann. Weiterhin

ergibt sich durch die Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von 6mmdie Möglichkeit der

Überwachung von Volumina, in denen sich mehrere Personen simultan aufhalten und miteinander

interagieren können. In Verbindung mit der vorhandenen Zeitauflösung kann damit der

Bewegungsdynamik der Objekte effektiv Rechnung getragen werden. Aufgrund der genannten

Eigenschaften eignet sich die MultiCam somit ideal zur Detektion, Lokalisation, Verfolgung und

Klassifikation von Objekten in Innenräumen.

Durch die Verwendung der Informationen von mehreren, simultan operierenden MultiCams mit

verschiedenen Ausrichtungen und einem sich teilweise überlappenden Sichtbereich, lässt sich

weiterhin eine direkte Erweiterung des Überwachungsbereichs sowie eine Reduktion durch

gegenseitige Objektverdeckungen induzierten Uneindeutigkeiten erreichen und ermöglicht die

Erzeugung von Objekttrajektorien mit einem erhöhten Informationsgehalt.

Dem Problem der anfallenden Datenmenge, die durch die Verwendung mehrerer simultan

operierender MultiCams entsteht, wird durch den Einsatz eines agentenbasierten verteilten

Systems begegnet.

Informationsliefernde Agenten, bestehend aus einer MultiCam mit zugehöriger

Prozessierungseinheit, übernehmen die Erzeugung von lokalen Informationen bzw. Features bzgl.

der aus ihrer Sicht vorhandenen Objekte und senden diese in Form eines Statusvektors an einen

zur Fusion aller Informationen zuständigen Agenten. Weiterhin können aufgrund der gegenseitigen

Unabhängigkeit der informationsliefernden Agenten die Daten der vorhandenen MultiCams

parallel bearbeitet werden, was eine einfache Skalierung des Gesamtsystems erlaubt.

Zusammenfassung (Englisch)

The fundamental objective of intelligent systems targeted towards surveillance of indoor areas lies

in the automated interpretation of actions within the monitored space. One premise therefore is the

ability to detect, localize, track and classify objects within the surveyed area

In terms of system design, it’s also crucial to incorporate the targeted application area. For the case

of surveillance of just relatively small volumes and with the additional assumption that only very

few objects are simultaneously present within the detection area, data from a single sensor might

be sufficient in order to infer adequate information. Increasing the area to be monitored and also

allowing multiple objects to dynamically interact in the space to be surveyed, usually leads to the

necessity to apply multiple distributed sensor systems which, in order to generate useful

information, have to work together in a cooperative manner.

One in recent times increasingly adopted approach in order to increase the performance of

detection, localization and classification is to utilize a combination of devices delivering 2D- and

3D-data. Depending on the requirement, fusion of the information is then done on pixel-, feature or decision-level. The combination of different systems in a 2D/3D-measurement device is not

trivial, though. In case of taking moving objects into account, there’s a necessity to provide an

adequate temporal synchronisation mechanism between the participating devices. With regard to

an effective fusion process, the process of registration of the acquired data needs also to be

applied. Furthermore, by combining multiple of such 2D/3D-devices into one all encompassing

system, the additional need for a coordinated management emerges. Having to cope with all of the

aforementioned points might well lead to a system complexity which is intricate to handle and

which in turn might result in an unacceptable overall system performance.

The at the Center for Sensorsystems (ZESS) developed MultiCam, an at the moment unique sensor

system usable to acquire a combination of CMOS-based intensity (2D) and Time-of-Flight (ToF)

based distance information (3D) of a complete scene. Due to the monocular set-up, a drastic

simplification of the process of image registration of the 2D- and 3D-images is attained.

Furthermore, the internal logic, situated in an embedded FPGA, permits an accurate temporal

synchronisation of the different information streams. Due to the reduction of the overall

complexity of the processes of registration and temporal synchronisation of the 2D- and 3D-data, it

is feasible to combine a multitude of simultaneously operating MultiCams to a surveillance system

with, in comparison with conventional 2D/3D-systems, a drastic simplification in terms of

handling.

The additional application of the also at the ZESS developed dedicated MultiCam illumination

units enables to supervise an area up to a distance of maximal 9mat a camera frame rate of 20fps.

With similar ToF devices, the same distance range can only be achieved by an increase of the

sensor integration times and which in turn directly leads to a reduced frame rate. Furthermore, as a

result of the utilization of a lens with a focal length of 6mm, it is possible to monitor volumes in

which multiple persons can simultaneously be present and also interact with each other. Due to the

available temporal resolution, one can account for the dynamic behaviour of the objects

effectively. As a results of all of the aforementioned properties, the MultiCam is ideally suited for

the detection, localization, tracking and classification of objects in indoor areas.

Through the combination of multiple simultaneously operating MultiCams with different

orientations and partially overlapping field of views, it is possible to directly extend the surveyed

area and also reduce the amount of mutual object occlusion. This directly leads to the generation of

object trajectories with an increased information content.

In order to respond to the amount of data generated by the simultaneous operation of multiple

devices, an agent based system is utilized. Information delivering agents, composed of one

MultiCam with dedicated processing unit, are responsible for the direct processing of the acquired

raw sensor data. Based on their view onto the scene, they generate information in form of a local

status vector which they send to a dedicated fusion agent. This fusion agent is in turn responsible

for the combination of all of the local information received into one global status vector. Due to the mutual independence of the participating agents, parallel processing

of the acquired data is inherently possible which in turn results in the possibility to be able to scale

the system in an easy manner.

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