Allwissende Staubsauger sind nur der Anfang

Die nächste Entwicklungsstufe der der Bildverarbeitung macht Maschinen zu intelligenten Partnern - Innovative und komplett integrierte Anwendungen in Industrie und Alltagsleben profitieren von der Kombination aus 3D Technologie und Künstlicher Intelligenz.

Bildverarbeitung ist eine der Schlüsseltechnologien in Automatisierung, Robotik und der Smart Factory. Mit bildbasierter künstlicher Intelligenz bieten Vision Systeme exakte Analysen von Umgebungen und Objekten. Die 3D-Technologie entwickelt sich dabei mit einfach zu integrierenden Bausteinen zur neuen Normalität und generiert eine neue Wahrnehmungsebene in Echtzeit. Mit noch präziseren und schnelleren Analysen können intelligenten Algorithmen damit valide Entscheidungen treffen. Mit Embedded Vision sowie neuartigen Anwendungen und Geschäftsmodellen werden Maschinen vom repetitiven Dienstleister zum intelligenten Partner.

3D-Imaging und Künstliche Intelligenz (KI) als einzelne Bausteine sind nicht mehr ganz neu, doch erst jetzt erreicht die Bildverarbeitung mit der Kombination der beiden Technologien das nächste Level. Der Grund dafür liegt vor allem in der technischen Entwicklung und Digitalisierung der Bildverarbeitung, die in den letzten Jahren einen enormen Marktbedarf geschaffen und für Vision-Systeme den Sprung auf den Massenmarkt ermöglicht hat. Das sogenannte Perceptional Computing generiert mit 3D-Sensing eine neue Wahrnehmungsebene und die KI ermöglicht exakte Echtzeit-Analysen ohne die bei 2D übliche Verzerrung und Verzögerung durch Annahmen und Simulationen. Embedded Vision stattet die Maschinen quasi mit menschlichen Sinnen aus. Die visuelle 3D-Sensorik lässt sehen, die KI verstehen, beides zusammen ermöglicht Maschinen und Geräten das Interagieren mit ihrer Umwelt und kognitives Lernen. In der industriellen Automatisierung können Maschinen und Roboter selbst valide Entscheidungen treffen. 

Maschinen und Geräte mit integrierter Vision-Technologie lassen sich zudem berührungslos steuern. Das Tracking von Augen, Gesichtern und Bewegung ist Grundlage für intelligente und neuartige Konsumgüter, Sicherheitsanwendungen und auch industriellen Lösungen. „Smart Homes“ etwa können mit einer Fingerbewegung gesteuert werden; Kaffeemaschinen erkennen, wer vor Ihnen steht und bereiten automatisch den Lieblingskaffee zu und Autos bremsen ab, sollte der Fahrer einschlafen. In der Industrie kommen vor allem die präzise Erkennung von Objekten sowie die exakte Erfassung von Position und Distanz zum Tragen. Integriertes 3D-Sensing ermöglicht es Robotern, wie Menschen zu greifen und vermeidet während der Bewegung Kollisionen mit der Umgebung. Drohnen fliegen um Hindernisse herum. Mit der Vernetzung mehrerer Roboter oder mit 3D-Sensing ausgestatteten Geräten, können Unternehmen für ihre Prozesse das volle Optimierungspotenzial intelligenter Algorithmen ausschöpfen.

Hohes Potenzial für intelligente Roboter in Industrie und Logistik 

Roboter sind in der Industrie bereits seit Jahrzehnten im Einsatz. Sie wurden programmiert, konnten Hindernisse in 2D erkennen, mithilfe von Markern im Raum navigieren und waren damit verlässliche Hilfsmittel. 3D-Sensing und KI-Algorithmen dagegen lassen industrielle Roboter zu wirklichen Partnern, zu mitdenkenden Kollegen, werden. Die vollständig in die Roboter integrierte 3D-Technologie macht diese schnell, sie erkennen in Echtzeit für sie bisher unbekannte Objekte. Die Positions- und Distanzmessung basiert nicht mehr auf alten Daten, CAD-Modellen oder vage getroffenen Annahmen - die Roboter erkennen und handeln sofort, hochpräzise. So können etwa „Random Picking“-Anwendungen umgesetzt werden und in der die Qualitätssicherung sind 3D-Kameras ebenfalls wesentlich schneller und genauer, dazu noch weniger kompliziert im Aufbau. Gerade dort, wo Mensch und Maschine sich einen Arbeitsraum teilen, ist die von 3D bereitgestellte Schnelligkeit und Präzision sicherheitsrelevant und kann beispielsweise Schutzzäune obsolet werden lassen. Mensch und Maschine können im wahrsten Sinne des Wortes Hand in Hand arbeiten.

Selbstlernende Algorithmen ermöglichen eine Vernetzung der verschiedenen Geräte und Maschinen im Internet of Things, so dass diese sich eigenständig untereinander abstimmen können. Im Logistikbereich mit vielen unerwarteten und unvorhersehbaren Ereignissen ist diese Möglichkeit besonders relevant, sie ermöglicht aber auch eine Fertigung in Losgröße 1. Der große Vorteil liegt darin, dass 3D-Imaging nicht trainiert werden muss, 3D sieht wie ein Mensch und lernt in Kombination mit KI selbst dazu. 3D-Technologie ermöglicht die einfache Interaktion und Zusammenarbeit zwischen Robotern und Mensch. Momentan erleben etwa kleine Logistikroboter einen großen Boom. Die intelligenten und untereinander vernetzen „R2D2’s“ fahren durchs Lager, heben und bewegen Kisten, können Objekte greifen oder zum Menschen bringen, und räumen diese Kisten und Objekte natürlich auch wieder auf. Mit einer exakten Objekt-, Positions- und Distanzerkennung basierend auf den 3D-Daten der integrierten Roboterkamera können die digitalen Dienstleister mittels SLAM-Kartographie ihre Umgebung sekundenaktuell erfassen und selbständig navigieren. Sie erkennen sowohl feststehende als auch bewegliche Hindernisse und vermeiden Kollisionen auch in neuen, unbekannten Situationen. Mehrere vernetze Roboter kommunizieren untereinander und stimmen ihren Handlungen ab, sie sorgen damit selbstständig für einen reibungslosen Ablauf im Lager und eine optimale Unterstützung des Menschen und der Prozesse. Diese kleinen Allround-Roboter steigern die Effizienz in der Logistikkette immens.

Zukünftig sind die kleinen oder großen Helfer auch als digitale Liftboys und Zimmerservice in Hotels oder Inventurservice in Supermärkten denkbar. Der Flughafen München testet mit „Josie Pepper“ bereits gerade einen mobilen Serviceroboter zur Information von Reisenden und begleitet sie zum richtigen Abfluggate.

Smart Home - Neue Geschäftsmodelle für Staubsauger

Von digital überwachten Häusern und selbständig einkaufenden Kühlschränken wurde bereits sehr viel gesprochen. Die vollständig in die Haushaltsgeräte integrierte 3D-Technologie und intelligente Algorithmen eröffnen in den sogenannten Smart Homes viele neue Anwendungsmöglichkeiten, gerade die Haussicherheit und -überwachung kann davon immens profitieren. Vieles ist bereits Realität, wie etwa Drohnen, die ein Live-Bild an das Handy des Hausbesitzers übertragen, sobald im Garten verdächtige Bewegungen erfasst werden – und es keine streunende Katze ist. Den höchsten sichtbaren praktischen Nutzen im Alltag generiert die intelligente 3D-Technologie momentan für Staubsauger und Rasenmäher. Auch hier wurde mit 2D-Imaging bereits gute Arbeit geleistet, 3D aber macht den Unterschied. Mittels 3D-Erkennung werden Objekte nicht einfach anhand ihrer Umrisse erfasst, die KI kann Dinge einordnen und kategorisieren. So wird der Ehering eben nicht eingesaugt, sondern als „wertvoller Schmuck“ gesichert. Und der Hundehaufen wird umfahren statt „eingesaugt“ – YouTube zeigt bereits genügend (sehr lustige) Videos, wie 2D-Technologie Exkremente über den gesamten Fußboden verteilt. Mittels 3D-Navigation und dem intelligenten Kartografieren der Umgebung wird zusätzlich eine strukturierte Reinigung möglich. Statt mit taktiler Sensorik auf Kollisionskurs werden Möbel, Teppiche und Bäume vorab visuell erkannt und umfahren. Ein intelligenter Rasenmäher erkennt, wo die Rasenkante endet, stoppt genau dort und realisiert auch, dass der kleine Haufen im Gras ein Igel ist, dem er ausweichen muss.

Die „Next Level“-Bildverarbeitung ermöglich neben den technologischen Vorteilen auch neue Geschäftsmodelle. Wer heute noch hohe Summen für einen Staubsaugerroboter ausgeben muss, könnte zukünftig mit werbebasierten Leasing-Modellen viel Geld sparen. Der intelligente und vernetzte Staubsauger kennt exakt die Größe der zu reinigenden Wohnung, den Grundriss, die Marken und den Zustand der Möbelstücke sowie den individuellen Einrichtungsstil. Damit lassen sich Rückschlüsse auf das Einkommen ziehen und bei entsprechendem Einverständnis individualisierte Werbung anbieten. Ein Möbelhaus kann damit potenziellen Kunden eine Couch vorschlagen, die von den Maßen, dem Stil und dem Preis exakt zu ihren Wohnverhältnissen passt. Mit diesen datenbasierten Modellen wäre die Anschaffung des Staubsaugers sehr günstig, da der Hersteller seinen Gewinn mit dem Datenverkauf erzielt. Denkbar sind auch Leasing-Modelle, bei denen der Kunde pro Nutzung zahlt und entsprechend Werbung präsentiert bekommt.

Ohne 3D könnten Drohnen nicht autonom navigieren 

Drohnen bieten nachweislich bereits ein hohes praktisches Nutzungspotenzial für die integrierte 3D-Technologie mit KI. Keine der populären selbstfliegenden „Follow-Me“-Drohnen könnte ohne diese Kombination navigieren. Intelligente Drohnen überwachen das Wachstum in der Landwirtschaft und Hyperspektral-Drohnen können während der Ernte Steine von Kartoffeln unterscheiden. Die Überwachung von Industrieanlagen in unzugänglichem Gelände ist ohne 3D-fähige Drohnen gar nicht mehr vorstellbar, sie liefern bessere und genauere Daten als je zuvor, in Echtzeit. Dank der Miniaturisierung ist die moderne 3D-Technik so leicht und die Verarbeitungsprozessoren so klein, dass sie auch für ultraleichte Drohnen keine Einschränkung mehr darstellen. Den hohen Effizienz- und Innovationsgrad der Drohnen für Unternehmen spiegeln zwei kreative Praxisbeispiele.

Ein Stromunternehmen etwa nutzt intelligente Drohnen für die Überwachung seiner Strommasten. Kein Techniker muss heute mehr standardmäßig gefährlich in die Höhe klettern. Vielmehr kann der Techniker von unten eine Drohne steuern, welche die Bilder überträgt und die Daten selbstständig auswertet. Dabei misst und hält sie automatisch den korrekten Abstand und teilt dem Techniker mögliche Auffälligkeiten mit. Die Drohne lotst vor Ort in direkter Kommunikation mit dem Techniker, welcher nur noch bei Abweichungen eine Sichtprüfung in luftiger Höhe machen muss.

Eine zweite „über den Tellerrand“-gedachte Anwendung ist die Optimierung von Waren- und Logistikströmen eines Unternehmens basierend auf Überwachung aus der Luft. Drohnendaten können alle Warenwege, LKW- und Förderbewegungen sowie Prozesse eines Unternehmens sehr genau aus der Vogelperspektive betrachten und virtuell simulieren. So kann „erkannt“ werden, dass etwa die LKW’s für die Anlieferung immer zu früh an der Rampe ankommen und damit für einen Stau in der Lieferkette sorgen. Mit dem Wissen der Drohnen lässt sich die innerbetriebliche Logistik hocheffizient gestalten.

Amazon's GO ist ohne 3D-Vision und KI undenkbar 

Eines der jüngsten und prominentesten Beispiele für den Einsatz von 3D-Technologie in Verbindung mit Künstlicher Intelligenz ist Amazons Pilot-Supermarkt GO. Kunden brauchen dort kein Bargeld und müssen an keiner Kasse zahlen; sie gehen einfach hinein, laden die gewünschten Produkte ein und gehen mit einem vollen Einkaufswagen hinaus. Der Markt ist komplett kameraüberwacht und erkennt, welche Waren ein Kunde in seinen Wagen gelegt hat. Momentan ist der Markt für Mitarbeiter von Amazon geöffnet, er erkennt die Kunden per Gesichtserkennung und bucht direkt von der hinterlegten Kreditkarte ab. Intelligente Kameras registrieren den Gesichtsausdruck der einkaufenden Menschen. So kann ein Mitarbeiter seine Hilfe anbieten, wenn der Algorithmus einen fragenden Blick einfängt. Amazon selbst kann anhand dieser Daten sehr genau das Kundenverhalten, Reaktionen auf Produkte sowie Lauf- und Entscheidungswege analysieren und daraus gewinn- und umsatzsteigernde Rückschlüsse ziehen.

Neben industriellen und kommerziellen Anwendungen gibt es auch rein humanitäre Applikationen, wie etwa eine intelligente 3D-Brille für die Unterstützung Sehbehinderter im täglichen Leben. Die Brillen sind mit neuesten Stereokameras ausgestattet, intelligente Algorithmen übersetzen die visuellen Signale in haptische und akustische Informationen. Der Blinde bekommt Straßennamen, Tramlinien oder Schilder an Geschäften vorgelesen, die Audioinformation basieren auf der Erkennung von Formen, Objekten und Schriften. Positionen und Distanzen werden als haptische Rückmeldung über ein mit Vibrationsmotoren ausgestattetes Armband geliefert. Je nachdem, wo sich ein Hindernis befindet, vibriert es an einer anderen Stelle am Arm. Der Blinde lernt quasi eine neue Art der Wahrnehmung, die es ihm ermöglicht, seine Umgebung vollständig zu verstehen und sich zu orientieren.

Das nächste Level der Bildverarbeitung hat längst begonnen. Anwendungen, die eine Kombination aus Embedded Vision, 3D-Technologie und Künstlicher Intelligenz nutzen, haben sich längst ihren Weg in den industriellen und gesellschaftlichen Alltag gesucht. In naher Zukunft werden diese Applikationen und solche, die die Menschheit sich heute noch gar nicht vorstellen kann, eine neue Normalität beschreiben.  Was vor rund 150 Jahren die Glühbirne bewirkte, könnte auch für das Potenzial von Bildverarbeitung und künstlicher Intelligenz gelten – irgendwann wird die Industrie und der Mensch sich nicht mehr vorstellen können, wie es ohne ging.

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