Erinnern sie sich an die genialen Szenen im Film, in denen Tom Cruise wie ein Magier Daten und Dokumente auf einem großen transparenten Display manipuliert hat, nur durch die Bewegung seiner Hände im Raum? Die PMD-Technologie ermöglicht auf der Basis von Lichtlaufzeitverfahren mit dem Photo-Misch-Detektor (PMD) genau dies durch die effiziente, kostengünstige und mit hoher Geschwindigkeit durchgeführte Erfassung dreidimensionale Szenen.

PMD-Kameras arbeiten nach dem Lichtlaufzeitverfahren (engl. ToF - Time of Flight). Jede Kamera ist mit mindestens einer Lichtquelle bestückt, die die Szene ausleuchtet. Typischerweise wird infrarotes Licht verwendet, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. Alternative (d.h. sichtbare) Beleuchtungen sind aber ebenso möglich und je nach Applikation auch sinnvoll. Die Messung der Entfernung erfolgt durch die Detektion der Zeit, die das ausgesendete Licht benötigt, um von der Lichtquelle zum Objekt und vom Objekt zurück zum PMD-Empfänger zu gelangen. Kennt man diese Laufzeit, dann ist die Berechnung der Entfernung auf Basis der bekannten Lichtgeschwindigkeit sehr einfach. Ein großer Vorteil der PMD-Technologie ist es, dass mit einer einzigen Aufnahme nicht nur die komplette Szene in allen drei Raumdimensionen und auch als klassisches Graustufenbild erfasst wird, sondern gleichzeitig für jedes Pixel die Signalstärke ermittelt wird. So ist es einfach möglich, die Qualität der Entfernungsmessung pixelgenau zu bewerten. Durch die pixelintegrierte SBI-Schaltung (Suppression of Background Illumination - Hintergrundlichtunterdrückung) moderner PMD-Sensoren wird eine Außenraumtauglichkeit erreicht, durch die auch an sonnigen Tagen noch zuverlässige Ergebnisse produziert werden. Eine tiefer gehende Beschreibung des PMD-Prinzips wurde in der INSPECT 1/2008 unter dem Titel „Das magische Auge" veröffentlicht.

Pixel-Weltrekord im modularen Design

Es sind mittlerweile für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche verschiedene PMD-Kameras erhältlich. Das neueste Modell ist der PMD[vision] CamCube, der als Evaluationsplattform mit seinem modularem Konzept vor allem auf Flexibilität ausgelegt ist, und durch seine hohe Auflösung und Funktionsvielfalt für besonders weit gefächerte Einsatzbereiche in Betracht kommt. Der PMD Chip des CamCube ist auf dem neuesten Stand der Technologie und weist über 41.000 ToF Pixel (204x204) auf  - mehr als jede andere derzeit erhältliche Time-of-Flight 3D-Kamera. Mit der integrierten SBI Schaltung ist auch bei diesem Modell eine hohe Fremdlichtresistenz gewährleistet. Die USB 2.0 Schnittstelle erlaubt 3D-Bildwiederholraten von 25 Bildern pro Sekunde. Der PMD[vision] CamCube hat in seiner Standardausführung einen Eindeutigkeitsbereich von 7,5 m. Dieser Bereich kann durch geeignete Maßnahmen noch deutlich gesteigert werden. Ein wesentlicher Vorteil zur Evaluierung der PMD-Technologie ist die Modularität des CamCube. Zum einen kann das CS-Mount Objektiv leicht gewechselt werden und ermöglicht so eine Anpassung des Öffnungswinkels und der Lichtstärke an die jeweiligen Bedürfnisse des Kunden. Zum anderen können auch die in getrennten Gehäusen untergebrachten Lichtquellen ausgetauscht werden. Durch speziell angepasste Beleuchtungsmodule ist es möglich, der Kamera durch mehr Lichtleistung eine höhere Reichweite und Genauigkeit zu geben, den Stromverbrauch oder die Hitzeentwicklung zu reduzieren oder auch die Lichtquellen an einem anderen Ort zu installieren als das Kameramodul. Durch seine Flexibilität eignet sich der PMD[vision] CamCube für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke. Um nur einige zu nennen:

• Robotersteuerung,
• „Griff in die Kiste",
• Virtual- und Augmented-Reality Anwendungen,
• Bereichsüberwachung,
• Mensch-Maschine Interaktion (s.u.).

Kleine Geste, große Wirkung

Eine besonders interessante Applikation für den PMD[vision] CamCube kommt von der Firma Softkinetic S.A. aus Belgien. Softkinetic entwickelt und vertreibt Software für Gestenerkennung und Posenschätzung für Endbenutzerapplikationen. Softkinetics Software iisu („Interface Is You") dient als Middleware zwischen 3D-Kameras und Applikationssoftware und ist in der Lage, den Körper eines Menschen vollständig zu erfassen und die Position und Orientierung des Kopfes, des Rumpfes und der Gliedmaßen zu erkennen. Dadurch ist es möglich, Applikationen nur durch die eigenen Bewegungen zu steuern, ohne zusätzliche Eingabegeräte wie Tastatur oder Maus. Für die Spieleindustrie ist das die konsequente Weiterentwicklung von bewährten Eingabemethoden wie Sonys EyeToy und Nintendos Wii, und beschert dem Spieler eine neue Qualität der Immersion in das Spielgeschehen. Der Spieler steuert nicht mehr eine Spielfigur sondern wird selbst zum aktiven Bestandteil der virtuellen Welt. Er kann diese Welt betrachten, sich in ihr bewegen und mit Objekten interagieren wie er es aus der realen Welt kennt. Aber auch andere Branchen profitieren von dieser Technologie. Im Gesundheitssektor kann die Körpererfassung bei Rehabilitationsübungen helfen und auch im Fitnessbereich gibt es interessante Anwendungen. Die Fähigkeit, Gesten zu erkennen kann bei Geräten der Unterhaltungselektronik die oft unübersichtlichen und komplizierten Fernbedienungen ersetzen bzw. ergänzen und dabei viel umfangreichere und intuitivere Funktionen ermöglichen. Auch in vielen Bereichen industrieller Anwendungen sind auf Basis dieser möglichen Interaktion zwischen Mensch und Maschine sinnvolle und innovative Problemlösungen denkbar.

Der PMD[vision] CamCube ist mit seiner hohen Auflösung und Performance die ideale Kamera für iisu, da so die Präzision erreicht wird, die für eine exakte Gestenerkennung und Körpersteuerung nötig ist. PMDTec und Softkinetic ermöglichen damit den Herstellern entsprechender Produkte innovative und intuitive Benutzerschnittstellen zu implementieren.

Für die Zukunft sind weitere Entwicklungsfortschritte zu erwarten. Sowohl bei der Pixelauflösung, als auch bei Dynamik, Geschwindigkeit, Fremdlichtresistenz und Genauigkeit wird sich in den nächsten Jahren noch einiges tun. Man darf also gespannt sein.