Durch die Verwendung von Leuchtdioden im sichtbaren Bereich konnten 3D-Time-of-Flight-Kameras für den Einsatz in Unterwasserumgebungen optimiert werden. Dies ermöglicht es, Bewegungsabläufe in Pool-Umgebungen mit Gegenstandsweiten im Meterbereich zeitlich und in drei räumlichen Dimensionen aufzulösen.

Text: Petra Caviezel, Dr. Hannes Merbold / Bild: Gion-Pol Catregn, Dr. Hannes Merbold, Graduate School Graubünden/ C. Ehrbar

Time-of-Flight-(TOF)-Kameras sind 3D-Kamerasysteme mit denen – neben zweidimensionalen Bildern – als dritte Dimension auch die Distanz eines Objekts zur Kamera aufgenommen werden kann. Die Kameras beinhalten nahinfrarote Leuchtdioden, die kurze Lichtpulse emittieren. Diese werden an dem abzubildenden Objekt reflektiert und auf einem zweidimensionalen Bildsensor abgebildet. In jedem Pixel werden dann die Intensität und Zeitdifferenz zwischen dem emittierten und dem reflektierten Lichtpuls bestimmt. Da sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit bewegt, kann aus der Laufzeit die Objektdistanz bestimmt werden. In den letzten Jahren wurden TOF-Kameras für eine immer grössere Zahl von Applikationen eingesetzt, beispielsweise zur Gestenerkennung oder in Form von Sicherheitssensoren für autonome Fahrzeuge.

Ziel unseres Projekts war es, die TOF-Kamera-Technologie für den Einsatz in Unterwasserumgebungen zu optimieren. Hierbei stehen Anwendungen in Umgebungen mit geringen Schwebstoffkonzentrationen im Vordergrund, beispielsweise die zeitliche und räumliche Auflösung der Bewegungsabläufe von Rehabilitationspatientinnen und -patienten auf Unterwasser-Fahrradergometern in Schwimmbädern. Dies ist nicht trivial, da Wasser im nahinfraroten Frequenzbereich eine sehr starke Absorption aufweist. Beispielsweise hat Wasser bei der TOF-Standardwellenlänge von 850 Nanometern bereits nach einer Propagationsdistanz von nur einem Meter 99 Prozent der ursprünglichen Intensität absorbiert.

Auf Tauchstation mit Spielzeugfischen

Der experimentelle Ansatz beruht auf einer TOF-Evaluationskamera des Herstellers Espros Photonics Corporation aus Sargans. Die Kamera verfügt über eine separate Beleuchtungsleiterplatte, auf der acht nahinfrarote Leuchtdioden angebracht sind. Um die ideale Beleuchtungswellenlänge zu finden, hat das Team der FH Graubünden sieben weitere Leiterplatten hergestellt, die mit Leuchtdioden im sichtbaren Bereich – von tiefblau bis rot – bevölkert wurden. Durch den Austausch der Beleuchtungsleiterplatte konnte die Beleuchtungswellenlänge schnell und einfach variiert werden. Die modifizierte Kamera wurde auf der Aussenseite eines 1,5 Meter langen Aquariums angebracht und ihr Aufnahmefeld ins Innere des Aquariums ausgerichtet. Als Abbildungsobjekt dienten wahlweise elektromechanische Spielzeugfische oder ein Aluminiumkörper, dessen Abstand zur Kamera modifiziert werden konnte. Für einen Bereich bekannter Gegenstandsweiten wurden TOF-Bilder aufgenommen, aus denen die Amplitude und berechnete Distanz ausgelesen werden konnten. Dieses Vorgehen wurde für die verschiedenen Beleuchtungswellenlängen wiederholt und die Performanz wurde verglichen.

Weitere Punkte unter Wasser zu berücksichtigen

Aus der in der Literatur dokumentierten Absorption von Wasser folgt, dass die Transmission im sichtbaren Bereich umso grösser wird, je kleiner die Wellenlänge ist. In der experimentellen Studie des Instituts für Photonics und ICT (IPI) wurden die höchsten Amplituden allerdings nicht für blaues, sondern für rotes Licht erzielt. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Absorption nur einer von mehreren Effekten ist, welche die Performanz bestimmen. Es gilt zusätzlich noch, die optische Leistung der emittierten Lichtpulse und die spektrale Empfindlichkeit des TOF-Bildsensors zu berücksichtigen. Beide sind für rote Leuchtdioden am grössten. Aus dem Vergleich der tatsächlichen und der von der TOF-Kamera berechneten Gegenstandsweiten konnte zusätzlich noch gefolgert werden, dass für Unterwasserapplikationen auch die Ansprechzeiten der Leuchtdioden und die durch den Brechungsindex gegebene Propagationsgeschwindigkeit der Lichtpulse im Wasser berücksichtigt werden müssen.

Chemie versus Sauerstoff

Um das Wachstum von Bakterien und Algen zu unterdrücken, wurde dem Aquariumwasser zunächst ein kommerziell erhältlicher, chemischer Wirkstoff beigesetzt. Dies führte überraschenderweise jedoch dazu, dass die roten Wellenlängen stark absorbiert wurden. Für das Experiment wurde deshalb auf den Wirkstoff verzichtet und die Integrität des Wassers wurde durch eine kontinuierliche Sauerstoffzufuhr gewährleistet. Zusätzlich wurde eine Probe Pool-Wasser eingeholt und die Transmission analysiert. Diese Messung hat glücklicherweise gezeigt, dass der Einsatz der Technologie in der Zielumgebung keinerlei Einschränkungen unterliegt.

Nächste Tests in echten Pools

Die Kamera wurde zuletzt in ein wasserdichtes Gehäuse eingebettet, so dass Aufnahmen nicht nur von der Aussenseite des Aquariums, sondern auch direkt unter Wasser realisiert werden konnten. Ziel des nächsten Schritts ist es, 3D-Sequenzen von Bewegungsabläufen unmittelbar in einer Pool-Umgebung aufzunehmen.