Der 3D-Sensor, der den Crashtest überlebt: Neue Messtechnik ermöglicht Hochgeschwindigkeits-3D-Aufnahmen bei Crashtests

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Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF werden
seit vielen Jahren Systeme für die Hochgeschwindigkeitserfassung von 3D-
Daten entwickelt. Mit goCRASH3D präsentiert das Jenaer Team jetzt ein
neues System, das 3D-Daten bei Crashtests im Inneren des Versuchsfahrzeugs
aufnimmt. Es zeigt die Verformung und Bewegung von Fahrzeugkomponenten
während eines Aufpralls, wie es bisher nicht oder nur eingeschränkt
möglich war. goCRASH3D wird auf den Messen VISION und IZB ausgestellt.

Schon seit mehr als zehn Jahren wird am Jenaer Fraunhofer IOF an der
Erfassung von 3D-Daten mit Hochgeschwindigkeitskameras gearbeitet. Im
Wesentlichen besteht so ein System aus zwei Kameras, einer Beleuchtung und
einem Computer. »Der Knackpunkt dabei ist eigentlich nicht die Kamera,
sondern die Beleuchtung«, erklärt Projektleiter Kevin Srokos. Dafür haben
die Forschenden in Jena schon vor Jahren die GOBO-Technologie aus der
Bühnentechnik für ihre Zwecke weiterentwickelt.

Bei der GOBO-Technik rotiert eine Scheibe mit einem unregelmäßigen
Streifenmuster vor einer starken Lichtquelle. Das gibt ein
nichtperiodisches Sinusmuster auf dem zu messenden Objekt. Damit lassen
sich Punkte in den Bildern der Kameras, die unter verschiedenen Winkeln
auf das Objekt schauen, eindeutig zuordnen. Aus der Position der Kameras
und dem Versatz der Bildpunkte werden die 3D-Koordinaten für die Punkte
der Aufnahmen berechnet.

Anwendung im Automobilbereich

Schon sehr früh haben die Jenaer ihr System in der Automobilindustrie
getestet. »Damals konnte man mit dem System das Entfalten eines Airbags
zeitaufgelöst verfolgen«, berichtet Srokos. »Bereits 2017 gab es aber auch
die Idee, das System in das Innere des Fahrzeuges zu verlagern.« In einem
gemeinsamen Projekt mit einem großen deutschen Automobilhersteller haben
die Jenaer dafür einen Demonstrator aufgebaut, der seit 2023 für Tests
beim Projektpartner eingesetzt wird.

Mit goCRASH3D lassen sich Vorgänge zum Beispiel im Fußraum beobachten, die
vorher nicht oder nur sehr eingeschränkt zugänglich waren. Auch Bereiche,
die der sich entfaltende Airbag verdeckt, können so verfolgt werden.

Die Technik im Detail

Beim Einsatz von goCRASH3D im Fahrzeug spielt die Beleuchtung einmal mehr
die Hauptrolle: »Je kürzer die Belichtungszeit, desto stärker muss die
Beleuchtung sein«, so Srokos. Im konkreten Fall wird eine Einzel-LED mit
15.000 Lux Leuchtstärke benutzt. Die beiden Kameras liefern jeweils 12.000
Bilder pro Sekunde mit 512 x 512 Pixeln. Daraus berechnet der Computer
etwa 1.200 3D-Bilder pro Sekunde. Das Bildfeld in den Versuchen war 70 x
70 cm² in einem Meter Abstand. Diese Parameter können an die Versuche
angepasst werden.

Das System mit zwei Kameras und der Beleuchtungseinheit ist in einem
Rahmen montiert, in dem die Komponenten über Elastomerpuffer gegen die
Beschleunigung geschützt sind. Dadurch kann das System Beschleunigungen
bis zu 200g und Schocks bis 60g regelmäßig standhalten. Der Rahmen wird
dafür im Fahrzeug fest montiert.

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen heute und morgen

Aktuell wird das goCRASH3D-System beim Projektpartner genutzt und am
Fraunhofer IOF weiterentwickelt. Am Institut in Jena wurden die
Hochgeschwindigkeitsaufnahmen auch schon mit weiteren Kameras gekoppelt,
so dass die 3D-Bilder mit zusätzlichen spektralen Informationen verbunden
werden konnten.

Das goCRASH3D-System wurde für und mit der Automobilbranche entwickelt.
»Wir können uns aber auch andere Anwendungen im Sicherheitsbereich oder
auch in der Sportmedizin vorstellen«, erläutert Kevin Srokos.
Mittelfristig passt die Technik für 3D-Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
hervorragend zu den wachsenden Sicherheitsansprüchen im Automobilbereich.

Präsentation auf der IZB und der VISION 2024

Das Team vom Fraunhofer IOF präsentiert das goCRASH3D-System vom 8. bis 10
Oktober auf der VISION in Stuttgart (Stand Nr. 10G92) und auf der IZB in
Wolfsburg vom 22. bis 24. Oktober (Halle 2, Stand 2201).

Über das Fraunhofer IOF

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena
betreibt anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Photonik und
entwickelt innovative optische Systeme zur Kontrolle von Licht – von der
Erzeugung und Manipulation bis hin zu dessen Anwendung. Das
Leistungsangebot des Instituts umfasst die gesamte photonische
Prozesskette vom opto-mechanischen und opto-elektronischen Systemdesign
bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Am
Fraunhofer IOF erarbeiten rund 500 Mitarbeitende das jährliche
Forschungsvolumen von 40 Millionen Euro.

Weitere Informationen über das Fraunhofer IOF finden Sie unter:
<www.iof.fraunhofer.de>