D10 Computer Vision von Formationen

Thema

Ein synchronisiertes Mehrkamerasystem, kombiniert mit Algorithmen der Computer Vision, ermöglicht die Rekonstruktion der dreidimensionalen Bewegung eines gesamten Vogelschwarms, Vogel für Vogel, anstatt lediglich das durchschnittliche Verhalten der Gruppe zu beschreiben. Diese dreidimensionale Rekonstruktion der Schwarmbewegung erlaubt die direkte Beobachtung der individuellen und kollektiven aerodynamischen Eigenschaften einer Flugformation sowie der Anomalien, die beim Auflösen dieser Formation infolge einer äußeren Störung auftreten.

Die zentrale technische Herausforderung dieses synchronisierten Mehrkamerasystems besteht in der individuellen Verfolgung jedes einzelnen Vogels innerhalb des Schwarms: Eine Szene mit Dutzenden oder sogar Hunderten von sich schnell bewegenden Vögeln, von denen viele zu jedem Zeitpunkt teilweise hinter anderen verborgen sind, erfordert, dass die Algorithmen der Computer Vision die Identität jedes Vogels von Bild zu Bild verfolgen können, ohne ihn mit seinen Nachbarn zu verwechseln.

Aktuelle Systeme bewältigen diese technische Herausforderung bereits in großem Umfang: Das von Cavagna und seinen Mitarbeitern entwickelte System, das zehn synchronisierte Kameras mit 170 Bildern pro Sekunde kombiniert, kann die individuellen Flugbahnen jedes einzelnen Vogels in Schwärmen von bis zu 2.000 Staren auflösen. Basierend auf diesen individuellen Flugbahnen berechnet das Verfahren alle für den Simulator benötigten kollektiven Variablen. Die erste ist der Abstand zwischen Nachbarn, also der Abstand, den jeder Vogel zu den nächstgelegenen Vögeln im Schwarm zu jedem Zeitpunkt einhält. Diese Messung ermöglicht die direkte Überprüfung, wie jeder Vogel seine Position relativ zu seinen Nachbarn innerhalb der kollektiven Flugformation anpasst.

Die zweite kollektive Variable ist der Vicsek-Ordnungsparameter selbst, der die Ausrichtung der Flugrichtungen aller Vögel im Schwarm zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreibt. Direkt aus den individuellen Flugbahnen berechnet, beschreibt der Vicsek-Ordnungsparameter den Gesamtzustand der kollektiven Flugformation zu jedem Zeitpunkt, ohne dass dieser indirekt abgeleitet werden muss.

Die dritte kollektive Variable ist die Geometrie der V-Formation, die bestimmte Vogelschwärme, wie beispielsweise Gänse, bilden: Durch die direkte Messung der relativen Position jedes Vogels innerhalb dieses V lässt sich überprüfen, ob jeder Vogel tatsächlich die optimale Position relativ zum vor ihm fliegenden Vogel einnimmt – die Position, von der aus er vom Wirbelfeld profitiert, das dieser Vogel im Flug erzeugt.

Die vierte kollektive Variable ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Störungen im Schwarm: Indem gemessen wird, wie lange eine Störung, die einen Vogel betrifft, benötigt, um seine Nachbarn und dann die Nachbarn dieser Nachbarn zu erreichen, berechnet die Methode diese Ausbreitungsgeschwindigkeit direkt aus den individuellen Flugbahnen. Bei Staren übersteigt diese Ausbreitungsgeschwindigkeit die individuelle Fluggeschwindigkeit jedes einzelnen Vogels. Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit ist genau der diagnostische Indikator dafür, wie robust das kollektive System gegenüber einer Störung der Formation ist: Je schneller sich eine Störung im Schwarm ausbreitet, desto schneller kann sich der Schwarm neu organisieren und seine Ordnung wiederherstellen.

Durch die Kombination von Nachbardistanz, Vicsek-Ordnungsparameter, V-Geometrie und Störungsausbreitungsgeschwindigkeit ermöglicht diese dreidimensionale Rekonstruktion der Schwarmbewegung, die ausschließlich durch die Verfolgung einzelner Vögel mittels Computer Vision gewonnen wurde, eine direkte und eindeutige Validierung aller kollektiven Variablen, die sowohl eine intakte Flugformation als auch eine Formation beschreiben, die sich von einer Störung erholt.

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