3D-Punktwolken und maschinelles Lernen

Auf der Seite laserscanning-europe.com werden 3D-Punktwolken kurz als “digitaler Abdruck der Realität” zusammengefasst. Dieser entsteht durch Geräte wie einen rotierenden Scanner, der seine Umgebung mit Lasern abtastet. Stoßen die Strahlen auf ein Hindernis, werden also reflektiert, speichern sie die entsprechende Stelle ab - die Koordinate. Dadurch werden schon für kleine Flächen mehrere Millionen Punkte abgespeichert, die das gescannte in einer (originalgetreuen) 3D-Abbildung festhalten.

Maschinelles Lernen umfasst ein Prinzip, bei dem Computer Daten verarbeiten und durch diese ihr Vorgehen von alleine anpassen, statt manuell umprogrammiert werden zu müssen. So kann zum Beispiel ihre Effizienz erhöht und ihre Anwendung vereinfacht werden. Beispiele sind etwa automatische Spracherkennungen, die die Stimmen ihrer Anwender nach und nach besser verstehen; oder Seiten wie Amazon, die Nutzern Produkte anhand dessen empfehlen, was sie schon bestellt oder angesehen haben.

Bei diesem Projekt dient das maschinelle Lernen dazu, zu “lernen”, wie bestimmte Gegenstände aufgebaut sind, um sie besser zu erkennen - zum Beispiel Bäume, Personen, Gebäude und Autos.

Stendal/Potsdam l Lukas Budach sieht seine Zukunft in Amerika. Der 21-jährige gebürtige Stendaler beendet bald sein Bachelor-Studium in Potsdam, bei dem er vor kurzem ein Projekt zur Verbesserung von 3D-Stadtkarten beendete. Danach will er in die USA ziehen. Es wäre nicht die erste Umstellung, die er für seine Zukunft als Informatiker auf sich nimmt. Es wäre aber die bis jetzt größte.

Budach wuchs in Stendal auf und ging dort auf das Gymnasium, wechselte für sein Abitur aber nach Magdeburg. Der Grund war sein Interesse an Informatik, das für ihn dort besser aufgestellt war. „Das Winckelmann-Gymnasium ist super, aber in der 8. Klasse Informatik ging es gerade einmal um Excel-Tabellen.“ Am Siemens-Gymnasium, zu dem er wechselte, ging es schon ums Programmieren. „Mit dem MINT-Gymnasium standen mir einfach mehr Türen offen“, erzählt er. „MINT“ bedeutet dabei, dass an der Schule besonders viel Wert auf die Bereiche Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik gelegt wird. Eine der Türen, die sich für ihn öffneten, war die des Studiengangs IT-Systems Engineering am Hasso-Plattner-Institut in Potsdam.

Ganz neue Möglichkeiten

Hier arbeitete er mit sieben Kommilitionen an einem Bachelorprojekt, das auf sogenannten 3D-Punktwolken basiert – dreidimensionale Abbildungen von Straßen. Die Technologie, Stadtteile zu scannen, gibt es bereits. Was fehlte, war die Möglichkeit, die Art der gescannten Objekte zu erkennen, die wichtigen hervorzuheben und die überflüssigen auszufiltern.

Bilder

Genau dies war das Ziel des Projekts, bei dem die neuen Funktionen über maschinelles Lernen eingebaut wurden. Das bedeutet, das Vorgehen durch Trainingsdaten so zu verfeinern, dass Objekte irgendwann automatisch und mit möglichst wenigen Fehlern erkannt werden.

Aufwendige Handarbeit

Bevor der Prototyp aber automatisch arbeiten konnte, musste zunächst eine ganze Menge Daten manuell verarbeitet werden. Eine aufwendige Arbeit, bei der sechs Leute für drei Wochen acht Datensätze durchgingen und jedes einzelne Objekt von Hand markierten. All diese Daten verarbeitete das Programm und lernte so, diese Objekte an ihrer Form zu erkennen.

Insgesamt dauerte das Bachelorprojekt ein Jahr und benötigte neben einer Menge Zeit auch Unmengen an Speicher. Mehrere Terrabyte wurden allein durch die Punktwolken gefüllt – aufgeteilt auf „Wagenladungen voller Festplatten“, wie die Studenten auf ihrer Projektvorstellung umschrieben.

USA schon kennengelernt

Das Ergebnis ist eine ziemlich genaue Objekterkennung, die Straßen nicht nur nahezu originalgetreu nachzeichnet, sondern dabei auch jedes Schild, jede Markierung und jedes Gebäude als solches erkennt. Änderungen können außerdem schnell in den Karten übernommen werden. Eventuell wäre sogar eine Anwendung in selbstfahrenden Autos möglich, die sich so genau auf ihre Umgebung einstellen können. Erstmal handelt es sich aber nur um einen Prototypen, vom Gebrauch durch einfache Nutzer ist er noch weit entfernt. Ihn weiterzuentwickeln, wird anderen Studenten überlassen, denn bei einem der nächsten Bachelorprojekte soll er als Grundlage dienen, berichtet der Student.

Vor Lukas Budach liegen nun noch zwei Vorlesungen, bevor er seinen Bachelor-Abschluss in der Tasche hat. Der Plan danach: Amerika, jedenfalls würde er dahin gerne ziehen. Einen ersten Geschmack bekam er schon durch ein Auslandsjahr, die Kultur gefällt ihm und: „Die Netzanbindungen sind für Informatiker optimal“.