Mit großer Rechenpower kleinen Rissen auf der Spur

Brücken führen Straßen über Flüsse, Autobahnen über Täler, Zugstrecken über Straßen. Dabei sind sie hohen Belastungen ausgesetzt, müssen aber gleichzeitig strenge Vorschriften in Sachen Sicherheit erfüllen.

Auf die Zustandserfassung und Instandsetzung von Brücken hat sich das schweizerische Unternehmen enertec engineering ag spezialisiert. Die Firma greift dabei auf die Expertise der Juniorprofessur Visual Computing der Technischen Universität Chemnitz zurück. Die Wissenschaftler bringen die Brücken als 3D-Modelle in den Computer.

Bei der Zustandserfassung geht es vor allem darum, den Bauwerkszustand wie Risse und Absenkungen in bestimmten Zeitabständen zu kontrollieren und zu vergleichen, um so eventuelle Schäden frühzeitig zu erkennen. Dazu werden die Brücken mit Laserscannern vermessen. Diese scannen mit einem Laserstrahl die gesamte Umgebung. Aus der Laufzeit des Lichtes ermitteln sie die Entfernung zwischen Scanner und Auftreffpunkt. „Bisher dienen die Laserscanner nur als Ersatz für ein Maßband. Risse müssen manuell in Augenschein genommen und vor Ort fotografiert werden. Am Ende landen alle Daten in einem Aktenordner bei der zuständigen staatlichen Stelle, die die Vermessung beauftragt hat“, sagt Jun-Prof. Dr. Paul Rosenthal, Inhaber der Juniorprofessur Visual Computing. Die Chemnitzer Informatiker sorgen jetzt dafür, dass die Daten digitalisiert und im richtigen Kontext dargestellt werden.

Am Rechner entstehen so dreidimensionale Modelle der Brücken, die mit Zusatzinformationen verbunden sind. Vermessungen sind daran jederzeit möglich. Auch noch nach Jahren können später entdeckte Risse mit den Modellen aus vorangegangenen Vermessungen abgeglichen werden. Das Forschungsprojekt „enercloud: Instantaneous Visual Inspection of High-resolution Engineering Construction Scans“ wird seit April 2012 durch das Programm eurostars im Rahmen der europäischen Forschungsinitiative EUREKA gefördert. Das Gesamtvolumen beläuft sich auf 200.000 Euro für fast drei Jahre. Ein großer Teil der Forschungsarbeit wird dabei von Thomas Kanzok geleistet, der über das Projekt angestellt ist und darüber hinaus seine Promotion an der TU Chemnitz anstrebt. Beteiligt ist neben der TU Chemnitz und der enertec engineering ag auch die Jacobs University in Bremen.

Die Herausforderung bei der Digitalisierung der Daten ist das Handling der riesigen Datenmengen. Ein einzelner Scan umfasst dabei mehrere hundert Millionen Punkte. Für ein 3D-Modell werden mehrere Scans von unterschiedlichen Standorten aufgenommen und zusammengeführt. Die Grafikkarten von Computern sind allerdings für die Darstellung von Dreiecken auf dem Bildschirm optimiert. Deshalb sei die Idee naheliegend, die erfassten Punkte in Dreiecke umzuwandeln, erklärt Rosenthal – doch dabei wächst die Datenmenge noch weiter an. „Schon bei kleinen Brücken dauert die Umwandlung der Daten zwei bis drei Tage. Das ist sehr unbefriedigend, denn erst dann erhalten die vermessenden Ingenieure ein Feedback, ob ihre Messung ausreichend war oder einzelne Flächen nicht genügend erfasst wurden“, sagt Rosenthal und ergänzt: „Durch unser Projekt wird es möglich, direkt beim Scannen vor Ort eine Vorschau des 3D-Modells der Brücke auf einem Laptop darzustellen.“

Dazu verzichten die Wissenschaftler auf die Umwandlung der Punkte in Dreiecke. Das reduziert die Datenmenge erheblich. Dreiecke würden die dargestellte Fläche jedoch komplett ausfüllen, zwischen Punkten gibt es kleine Lücken. Fallen die Punkte so, dass einzelne Pixel des Bildschirmes frei bleiben, dann entstehen dort Stellen, an denen man scheinbar durch die dargestellte Fläche hindurchschauen kann. Ein Verfahren, um dieses Darstellungsmanko zu beheben, entwickelte Paul Rosenthal während seiner Promotion an der Jacobs University in Bremen. Dabei werden freie Pixel mit benachbarten Farben gefüllt. Dieses Verfahren ist nun Grundlage des Projektes „enercloud“ und wird durch weitere Forschung für die lückenlose Darstellung von Bauwerken nutzbar gemacht.
Die Scanner können für den Auftreffpunkt des Lichtes – sei er auf einer Hauswand, einer Straße oder einem Brückenpfeiler – auch die Farbe erfassen. „Risse erkennt man vor allem an der Farbe. Die Stellen sind dann vielfach dunkler, weil sich dort Wasser sammelt oder ein dunklerer Spalt entsteht“, so Rosenthal. In der bisherigen Projektlaufzeit haben die Wissenschaftler die Farbdarstellung optimiert. „Schon im Sommer 2012 konnten wir die Relevanz des Projektes und erste Ergebnisse durch eine Veröffentlichung im `Journal of WSCG´ zeigen“, berichtet Thomas Kanzok. Wenn die Scans, die von verschiedenen Standpunkten aus aufgenommen werden, zu einem Modell zusammengeführt werden, dann prallen häufig Aufnahmen mit verschiedenen Lichtverhältnissen aufeinander. Beim ersten Scan war es bewölkt, beim zweiten Scan eine Stunde später schien die Sonne – im Gesamtmodell entstehen dadurch irritierende Farbübergänge. Die Informatiker haben einen Algorithmus entwickelt, der die Helligkeiten automatisch während des Rendern angleicht und keine langwierige Vorverarbeitung erfordert. Die Anzahl der gezeigten Bilder pro Sekunde verringert sich jedoch auf die Hälfte. Die virtuelle Begehung des Modells wird also etwas langsamer.

Diesen Verlust an Geschwindigkeit bei der Darstellung wollen die Wissenschaftler aber an anderer Stelle wieder einholen: Ein Bachelor-Student der Informatik, Christian Günther, entwickelt derzeit in seiner Abschlussarbeit ein Programm, mit dem die automatische Dreiecks-Verarbeitung der Grafikkarten umgangen werden soll. „Bisher zeigt sich bereits, dass sich durch dieses Programm die Geschwindigkeit, mit der Grafikkarten Punkte zeichnen, mindestens verdoppeln lässt“, so Rosenthal. Auch an anderen Teilaspekten des „enercloud“-Projektes sind Bachelor-Studenten mit Abschlussarbeiten beteiligt.

Die Software zum Darstellen von Brücken ist in ihrer gegenwärtigen Fassung bei enertec bereits im Einsatz: „Wir legen bei unserer Forschung einen Schwerpunkt auf den Anwender. Deshalb arbeiten wir bei der Entwicklung eng mit dem Unternehmen zusammen und erhalten ständig Feedback zu allen neu integrierten Erweiterungen des Programms“, so Rosenthal. Die enertec engineering ag übernimmt im Anschluss an das Forschungsprojekt auch die Vermarktung der Ergebnisse.

Bibliographische Angaben: Das Paper „Thomas Kanzok, Lars Linsen, Paul Rosenthal: On-the-fly Luminance Correction for Rendering of Inconsistently Lit Point Clouds“ erschien im „Journal of WSCG“ (vol. 20, iss. 3, pp. 161-169) und ist online verfügbar: http://www.tu-chemnitz.de/informatik/vcl/publications.php

Weitere Informationen erteilen Jun-Prof. Dr. Paul Rosenthal, Telefon 0371 531-39227, E-Mail paul.rosenthal@informatik.tu-chemnitz.de, und Thomas Kanzok, Telefon 0371 531-38739, E-Mail thomas.kanzok@informatik.tu-chemnitz.de.