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Das vorgesehene 4D-Erfassungssystem basiert auf synchronisierten Videokameras und Lichtquellen, einer Steuerungssoftware sowie hochauflösenden, softwaregestützten Rekonstruktionsverfahren zur Erzeugung texturierter, wasserdichter Oberflächenmodelle in kontinuierlichen Sequenzen. Dadurch wird die Erfassung dynamischer Szenen ermöglicht. Erforderlich ist die optimale Integration der Hardware- und Softwarekomponenten zu einem einheitlichen System, das Steuerung, Synchronisation, Kalibrierung, Datenfusion und Analyse in einer robusten Gesamtlösung vereint.
Dabei sind Modularität, Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit für unterschiedliche Projekte von entscheidender Bedeutung. Dies betrifft insbesondere das Erfassungsvolumen, die eingesetzte Erfassungshardware einschließlich Kameras, Beleuchtung und Tragkonstruktion, die Steuerungssoftware einschließlich Datenspeicherung und -verwaltung sowie die Rekonstruktionssoftware, die sowohl schlüsselfertige Lösungen als auch individuell entwickelte Verarbeitungspipelines umfassen kann. Das Anwendungsspektrum reicht von höchster Rekonstruktionsgenauigkeit bei der nachträglichen Verarbeitung aufgezeichneter Daten bis hin zu Echtzeitanalysen in interaktiven Systemen.
Zentrale Anforderungen:
Gesamtsystem: Ein optimal abgestimmtes, einsatzbereites System zur hochpräzisen, markerlosen, vierdimensionalen („3D + Zeit“) Erfassung und Rekonstruktion von Oberflächen und Objektbewegungen.
Kameras, Projektoren und Beleuchtung: Das System muss aus mindestens 70 synchronisierten Kameras mit einzeln einstellbaren Blickwinkeln sowie mit Kameraauflösung von jeweils mindestens 12 Megapixeln (MP) und idealerweise 12 Bit pro Pixel bestehen. Eine Kombination aus Graustufen- und Farbkameras ist möglich, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Genauigkeit zu maximieren und zugleich 3D- Oberflächen und Texturen zu erfassen. Die Kameras sind zu synchronisieren und durch augensichere Beleuchtung sowie optional durch Texturprojektoren zu ergänzen. Alternativ ist eine abweichende Kameraanzahl zulässig, sofern eine gleichwertige oder bessere Erfassungsleistung gegenüber der genannten Konfiguration erzielt wird. Das System muss durch marktverfügbare Komponenten, wie Kameras und Beleuchtung erweiterbar sein.
Messvolumen und Abdeckung: Robuste 360°-Erfassung des gesamten menschlichen Körpers einschließlich Kopf, Armen, Beinen und Füßen; ein Erfassungsvolumen mit einer Grundfläche von mindestens ca. 3 m × 3 m und einer Höhe von 2,5 m sowie einer hohen Dichte an Kameraperspektiven zur Minimierung von Verdeckungen. Ein vergrössertes Erfassungsvolumen von mind. 5 m × 5 m × 2.5 m muss konfigurierbar sein, ggf. bei reduzierter Genauigkeit bzw. erhöhten Rekonstruktionsabweichungen.
Gesamthöhe des Systems: Die Gesamthöhe des Systems darf 3,1 m nicht überschreiten. Raumabmessungen: 21 m × 7 m, davon 12 m × 7 m nutzbar; Raumhöhe an der niedrigsten Stelle: 3,1 m.
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Geometrische Genauigkeit: Dichte Oberflächenrekonstruktion mit Abweichungen von der realen Geometrie im Bereich von 0,5–1,0 mm; mittlere absolute Abweichung (MAD) ≤ 0,7 mm kontinuierlich während der Aufnahme, insbesondere bei Weichteilverformungen und Analysen auf Ebene einzelner Netzpunkte. Kein Verlust von Bildern (Frames).
Zeitliche Auflösung: Mindestens 60 3D-Modelle pro Sekunde (3D-fps), idealerweise 200 3D-fps, zur Erfassung schneller Bewegungen und Verformungen.
Dauer der Videosequenzen: Kontinuierliche Aufzeichnung von Videosequenzen mit einer Dauer von mindestens 8 Minuten zur Erfassung realistischer menschlicher Bewegungsabläufe.
Synchronisation: Hardwarebasierte Synchronisation mit externen Sensoren mit einer Genauigkeit von mindestens 60 Hz, beispielsweise über PTP gemäß IEEE 1588 oder einen dedizierten Synchronisationshub, zur Integration von Systemen wie inertialen Messeinheiten (IMUs), markerbasiertem Motion Capture (MoCap) oder Elektromyografie (EMG). Optional: Echtzeit-Ethernet mittels TSN (Time-Sensitive Networking) für das Datenstreaming.
Textur und Detailtreue: Hochwertige RGB-Texturen und detailgetreue Wiedergabe zur präzisen Erfassung von Faltenbildung in Textilien, Stoffverschiebungen und Materialdehnungen, beispielsweise der menschlichen Haut. Typische zu erfassende Oberflächen umfassen Textilien, menschliche Haut und Roboter; gegebenenfalls können zusätzliche Texturen, beispielsweise mittels Texturspray, aufgebracht werden.
Speicherung, 4D-Rekonstruktion und Verarbeitung: GPU-, CPU- und Datenträgerkomponenten für den Einbau in ein 19-Zoll-Rack zur unkomprimierten Speicherung von Videodaten und zur Rekonstruktion. Die Komponenten sind in einem Schrank in einem separaten Serverraum unterzubringen, Leitungsentfernung ca. 40m. Es muss Speicherkapazität für mindestens 5 unkomprimierte Aufzeichnungssequenzen bereitstehen. Die Videosequenzdaten werden nach der Rekonstruktion gelöscht. Vor der Rekonstruktion müssen Abschnitte der Bildsequenzen auswählbar sein, beispielsweise anhand ausgewählter Kameraansichten. Speicher zur Ablage rekonstruierter 3D-/4D- Daten ist nicht Bestandteil des angeforderten Systems.
Softwareintegration: Die Ausgabe unkomprimierter Bild- und Videodaten sowie ein API-Zugriff sind erforderlich, um marktverfügbare, verteilte, GPU-basierte Rekonstruktionssoftware, wie RealityScan, einsetzen zu können. Die Rekonstruktion darf keine Annahmen über die zu rekonstruierenden Objekte machen. Beispielsweise ist die Annahme eines menschlichen Skelettmodells o.ä. nicht zulässig. Die Rekonstruktionssoftware muss auf den mit dem System bereitgestellten Rechnersystemen lauffähig sein. Zusätzliche GPU-/CPU-Systeme des Auftraggebers müssen für die Rekonstruktion nutzbar sein. Für die grundlegende Systemsteuerungssoftware, beispielsweise zur Steuerung von Kameras, Beleuchtung und Synchronisation, ist eine zeitlich unbefristete Lizenz erforderlich.
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Offene Datenformate: Exportmöglichkeiten in Standardformaten wie PLY, OBJ und STL einschließlich zeitlich kohärenter Oberflächeninformationen zur nahtlosen Integration in Verarbeitungspipelines für maschinelles Lernen (ML), Simulation und Analyse.
Arbeitsablauf und Reproduzierbarkeit: Automatisierte, stapelverarbeitungsfähige Verarbeitung einschließlich Kalibrierung, Registrierung und konsistenter Netzerzeugung sowie Mechanismen zur Qualitätskontrolle, um die reproduzierbare Verarbeitung großer Datenmengen sicherzustellen. Die Anordnung von Kameras, Beleuchtung und weiteren Komponenten auf einer nicht reflektierenden Stativ- oder Tragkonstruktion muss an projektspezifische Anforderungen anpassbar sein; ein Verfahren zur erneuten Kalibrierung ist vorzusehen.
Betriebssicherheit und Support: Das System muss alle einschlägigen Sicherheitsnormen erfüllen. Erforderlich sind CE-Konformität, eine zuverlässige Kalibrierung, wartbare Komponenten sowie Herstellerunterstützung und Softwareaktualisierungen. Eine Aufschlüsselung der voraussichtlichen laufenden jährlichen Kosten für Wartung und Support ist vorzulegen.
Echtzeit-Trackingdaten (optional): Latenzarmes, Ethernet-basiertes Echtzeitstreaming von Trackingdaten der Kameras, beispielsweise Skelett-Tracking mit oder ohne Marker, gegebenenfalls mit reduzierter Datenrate durch eine geringere Anzahl an Kameras oder eine reduzierte Bildgröße.
Echtzeitrekonstruktion (optional): Echtzeitstreaming segmentierter und unsegmentierter Punktwolken, gegebenenfalls mit reduzierter Auflösung. Gleichzeitige Aufzeichnung unkomprimierter Videodaten für die spätere Rekonstruktion sowie Echtzeitrekonstruktion und Streaming mit reduzierter Qualität.
Anforderungen an den Umweltschutz:
• Einsatz energieeffizienter Komponenten. Automatisierte Standby-Steuerung für Kameras und Server sowie die Möglichkeit, rechenintensive Analysen auf eine Infrastruktur für Hochleistungsrechnen (High-Performance Computing, HPC) auszulagern.
• Vorkehrungen zur Rückgabe ausgedienter Geräte an zertifizierte Recyclingunternehmen sowie zur weiteren Nutzung funktionsfähiger Teilkomponenten.
Weitere Anforderungen:
• Gewährleistung: mindestens 24 Monate.
• Support: Reaktionszeit < 24 Stunden (Montag bis Freitag).
• Lieferzeit weniger als 6 Monate
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• Dokumentation zu Betrieb und Wartung des Systems sowie eine Schulung zu Betrieb und Wartung muss im Angebot enthalten sein.
• Eine Aufschlüsselung der voraussichtlichen laufenden jährlichen Kosten für Wartung und Support ist vorzulegen.
• Kosten für Kameras, Objektive, Netzwerk/Verbindungstechnik, Rechen- und Speichersysteme, Installation/Inbetriebnahme sowie Schulung müssen separat ausgewiesen werden.