In den letzten Monaten scheint jeder über künstliche Intelligenz zu diskutieren. Einer der Hauptgründe, warum KI in letzter Zeit so viel Aufmerksamkeit erregt hat, ist, dass Unternehmen wie OpenAI (Hersteller von ChatGPT) und andere kurz davor stehen, den in Computerwissenschaft, Biologie und Maschinenbau bekannten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit (Speed Accuracy Tradeoff, SAT) aufzulösen oder zumindest stark abzumildern.
Moderne künstliche Intelligenz ist heute schnell und genau genug (wenn auch noch weit entfernt von Perfektion), um eine natürliche Konversation mit einer Geschwindigkeit und Genauigkeit zu simulieren, die den menschlichen Austausch mit der Geschwindigkeit eines Computers beim Abrufen von Daten nachahmt.Derselbe Balanceakt zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit spielt sich beim 3D-Laserscanning und seinen verwandten Ablegern wie 360°-Panoramafotografie und Photogrammetrie ab.
Bei der herkömmlichen 3D-Realitätserfassung können hochpräzise Scans Minuten für die Erfassung und noch viel mehr Zeit für die Verarbeitung der Informationen und die Registrierung der Punktwolkendaten benötigen. Genauigkeit auf Kosten der Geschwindigkeit. Für Unternehmen, die große Mengen an Scans durchführen wollen, kann dies einen potenziellen Geschäftsverlust bedeuten. Eine Panoramakamera kann ein Bild mit hoher Geschwindigkeit aufnehmen, aber die entsprechenden Daten sind weit weniger detailliert als eine 3D-Punktwolke. Geschwindigkeit auf Kosten der Genauigkeit.
Aber wenn die KI-Forschung darauf hinweist, dass das Ende des Kompromisses zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit in Sicht ist, welcher digitale Dominostein fällt dann als nächstes? Die 3D-Laserscanning-Branche, die 3D-Visualisierungen für Architektur, Technik, Bauwesen, Betrieb und Wartung sowie Planungsanwendungen für die öffentliche Sicherheit umfasst, möchte auch hier als erste am Ziel sein.
Eine Welt, die darauf wartet, gescannt zu werden
Heutzutage sind die Menschen, die im Bereich der Bestandsdokumentation tätig sind, ständig auf der Suche nach schnelleren, besseren und einfacheren Methoden zur Erledigung der Arbeit. Sie wollen Aufgaben vereinfachen und Arbeitsabläufe rationalisieren – ohne dabei Qualität für Geschwindigkeit und Geschwindigkeit für Qualität zu opfern.
Warum suchen sie nach diesem „heiligen Gral“ der Geschwindigkeit und Genauigkeit? Weil die gesamte Branche der professionellen Messdienstleistungen noch viel Arbeit vor sich hat. Und es steht viel Zeit, Geld, Personal und Technologie auf dem Spiel, wenn die BIM-Modelle nicht genau sind oder wenn die Bilderfassung und -verarbeitung zu langsam ist. Überall auf der Welt scannt die Branche das Innere und Äußere großer Strukturen; sie kartiert und vermisst Industrieanlagen wie Kraftwerke, sie unterstützt Polizei und Strafverfolgungsbehörden bei der Planung vor Unfällen, sie hilft Spezial- und Generalunternehmern bei ihren Bauprojekten, und sie gibt Gebäudemanagern/Eigentümern in Echtzeit die Einblicke in das Gebäudemanagement, die sie benötigen, um den Gebäudebetrieb zu verfolgen und alle erkannten Ineffizienzen zu rationalisieren und zu beseitigen.
Wie zu erwarten war, wurden bei der Suche nach einer Lösung für den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit letztlich zwei unterschiedliche Methoden genutzt: mobile Scanprodukte und statische, auf einem Stativ montierte 3D-Laserscanner.
Aber anstatt den SAT-„Kampf“ wirklich zu beenden, bestand alles, was die Entwicklung wirklich tat, darin, zwei Sphären konkurrierenden Einflusses herauszuarbeiten. Wiederholte Studien wie eine der University of Cambridge, zu der auch ein FARO Focus Laserscanner gehörte und die auf der European Conference on Computing in Construction 2021 auf der Insel Rhodos, Griechenland, vorgestellt wurde, bestätigen, dass mobiles Scannen zwar schnell, aber nicht so genau ist wie ein statischer Scan.
In der Schlussfolgerung des Papiers heißt es:
„Unser Experiment hat gezeigt, dass die Dichte der gescannten Objekte, gemessen in Punkten pro Sekunde, mit zunehmender Entfernung zum Ziel exponentiell abnimmt und dass die mobilen Scanner die statischen Kartierungsgeräte in dieser Hinsicht übertreffen. Bei der Genauigkeit geht der Trend zum Gegenteil. Der statische Scanner erzeugt Scans, die mindestens 20 Mal weniger verrauscht sind als die von mobilen Geräten. Während die Genauigkeitsvorgaben für Anwendungsfälle wie Gebäudevermessungen, topografische Vermessungen und das Abstecken mit geringer Genauigkeit von allen Geräten fast im gesamten Bereich bis zu 40 Metern erfüllt werden, konnten anspruchsvollere Anwendungsfälle wie die technische Vermessung nur mit dem statischen Scanner erfüllt werden.“
Hybrid Computing 2.0
Wenn Menschen und Computer in den 1960er Jahren bei der NASA als „hybrid“ galten (menschliche „Computer“ wurden eingestellt, um kritische Start- und Wiedereintrittsdaten zu verarbeiten, weil der Großrechner der Raumfahrtbehörde, der IBM 7090, zwar schneller war als Menschen, aber nicht so genau wie ihr Gehirn), so bedeutet „hybrid“ für die 3D-Realitätserfassung eine Zusammenführung zweier digitaler Formate, die die besten Eigenschaften des mobilen Scannens mit den besten Eigenschaften der statischen Realitätserfassung vereint.
Diese Zusammenführung wird in Form einer neuen Technologie und eines zum Patent angemeldeten Begriffs erfolgen. Mit dieser Hybrid-Technologie, einer algorithmischen Zusammenführung der in einem Panoramabild enthaltenen Daten in Kombination mit einer statischen 3D-Punktwolke, wird der 3D-Laserscan mit geringerer Auflösung um Daten erweitert, die von einer 360°-Kamera erfasst wurden. Damit müssen zum ersten Mal Geschwindigkeit und Genauigkeit nicht mehr füreinander geopfert werden.
Der nächste Schritt bei 3D-Scanlösungen ist die Hybridisierung von mobilem und statischem Scannen bei minimalem Verlust an Genauigkeit und Geschwindigkeit. Bedenken Sie die Auswirkungen einer Technologie, die bis zu 50 % schneller ist als herkömmliche Laserscanning-Workflows. Und zwar einer, die die beste Kombination aus Produktivität vor Ort, vorhersehbarer Genauigkeit und modernster visueller Klarheit zu einem äußerst günstigen Preis bietet.
Die Vorteile eines solchen Zusammenschlusses dürften auf der Hand liegen:
- Ein Scan mit reduzierter Genauigkeit, der so konzipiert ist, dass er deutlich schneller ist als herkömmliche Scans.
- 360°-Bilder, die weniger dichte Datensätze ergänzen, um den Projektabschluss mit beschleunigten Arbeitsabläufen sicherzustellen.
- Die Einsparung ganzer Tage pro Woche, die die Durchführung zusätzlicher Scans ermöglicht, die ohne die zusätzliche Geschwindigkeit und Zeitersparnis wahrscheinlich nicht durchgeführt worden wären, und damit vollständigere und umfassendere Projekte gewährleistet.
- Farbige Bilder, die es Benutzern ermöglichen, Objektkanten und -ecken klarer zu sehen und definierte Geometrien einfacher zu identifizieren, was zu einer besseren Analyse und Ausführung in anderer Software führt.
Während die technologischen Innovationen, die die 3D-Laserscanning-Industrie zu dem gemacht haben, was sie heute ist, evolutionärer Natur sind – die ersten Laserscanning-Geräte wurden in den 1960er Jahren entwickelt und verwendeten Lichter, Kameras und Projektoren, um Objekte zu scannen, waren aber zeitaufwändig und fehleranfällig – ist das Zusammenführen von statischen Scandaten und mobilen 360°-Bildern ohne Geschwindigkeits- und Genauigkeitsverlust revolutionär.
Eine Realitätserfassungslösung, die ohne Einbußen bei der Datenqualität bis zu 50 % schneller ist als herkömmliches Scannen, bedeutet, dass Branchen, die auf groß angelegtes Scannen angewiesen sind, von Architektur, Technik, Konstruktion, Betrieb und Wartung bis hin zur öffentlichen Sicherheit jetzt eine schnelle, genaue und zuverlässige Methode haben, um Tausende von Scans zu erstellen und diese Daten zu nutzen. Sie können damit Geschäftsergebnisse vorantreiben oder situative Ergebnisse erzielen, beispielsweise durch schnelles Scannen von Ein- und Ausgangspunkten bei einem großen Gebäude oder durch das Erfassen von Zugangshindernissen. Wenn man bedenkt, dass es weltweit etwa 100 Milliarden Gebäude gibt und dass ein beträchtlicher Prozentsatz davon Großbauten sind, war die Chance, die Umwandlung der physischen Welt in die digitale Welt zu beschleunigen, noch nie so groß wie heute.
Das ist so, als ob ein menschlicher Computer der NASA Zugang zu Frontier, dem derzeit schnellsten Computer der Welt, erhalten würde, mit dem absoluten Vertrauen, dass seine Trillion Gleitkommaoperationen pro Sekunde zu 100 % genau sind.
Neue Grenzen
Ob es sich nun um die physikalische, die biologische, die mechanische oder die computergestützte/digitale Grenze handelt, die durch die schnellsten Computer und die immer intelligenteren Algorithmen von heute verschoben wird – was seit der Entstehung der ersten Städte im Fruchtbaren Halbmond des östlichen Mittelmeers vor Tausenden von Jahren galt, ist auch heute noch gültig. Solange Menschen diese Welt bevölkern, werden große, komplexe Bauwerke entstehen, die eine schnelle, präzise Montage und eine langfristige Projektüberwachung erfordern. Und für die öffentliche Sicherheit wird die Notwendigkeit, Worst-Case-Szenarien zu entschärfen, bevor sie eintreten, allgegenwärtig sein.
Angesichts dieser beiden Realitäten wird das 3D-Laserscanning weiter voranschreiten. Nicht nur die Geschwindigkeit und Genauigkeit werden zunehmen, sondern auch die Größe, das Gewicht und die Masse der Ausrüstung werden weiter abnehmen. App-basiertes LiDAR-Scannen ist nicht Thema dieses Artikels, aber die Zukunft liegt letztendlich in einer allgemeinen Technologie, die nicht größer als ein Smartphone oder Tablet ist.
In Verbindung mit den vielversprechenden Möglichkeiten der Quanteninformatik – der weltweit erste universelle Quantencomputer mit mehr als 1.000 Qubits soll noch in diesem Jahr von IBM auf den Markt gebracht werden – wird die neue Grenze in den kommenden Jahrzehnten wahrscheinlich weit hinter dem Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit liegen.
Aber vorerst ist Hybrid Reality Capture der technologische Durchbruch, von dem die 3D-Laserscanning-Industrie gerade erst zu profitieren beginnt. Der Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit, lange Zeit wesentlicher neuralgischer Punkt in vielen Bereichen, wird zunehmend zu einem Problem, das kurz vor seiner Lösung steht. Der gefeierte britische Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke mag für seine oft zitierte Beobachtung bekannt sein: „Jede ausreichend fortgeschrittene Technologie ist wie Magie.“
Clarkes Zitat ist zwar wahr, sagt aber nichts darüber aus, wie aufregend Magie wirklich sein kann – wenn Sie einer der Visionäre sind, die dazu beitragen, diese Magie zum Leben zu erwecken.
Zum Verfasser:
Oliver BürklerOliver Bürkler ist Director of Laser Scanning, FARO Technologies, Inc. Er erwarb seinen Master in Feinwerktechnik und Betriebswirtschaftslehre an der Hochschule für angewandte Wissenschaften in München. Als Teil des FARO 3D-Laserscanner-Produktmanagerteams konzentriert sich Bürkler bei FARO auf die Entwicklung der 3D-Dokumentationshardware und die damit verbundenen Innovationen.
Interessieren Sie sich für diese neue Technologie und wie sie Ihnen und Ihren Arbeitsabläufen zugute kommen kann?