3D-Detektoren messen sozialen Abstand zur Bekämpfung von Covid-19

Ein Team von EPFL-Forschenden hat einen Algorithmus, den sie ursprünglich für selbstfahrende Autos entwickelt hatten, umfunktioniert, um Menschen bei der Einhaltung sozialer Abstandsauflagen zu helfen. Ihr Programm, das mit einer Kamera arbeitet, kann erkennen, ob Personen den richtigen Abstand einhalten, um eine Ansteckung zu verhindern – ohne persönliche Daten zu sammeln. Es könnte für öffentliche Verkehrssysteme, in Geschäften und Restaurants und sogar in Fabriken nützlich sein.

Sandrine Perroud 07.05.2021

«Als die Schweiz letztes Jahr abgeriegelt wurde, arbeiteten wir an einem Algorithmus für selbstfahrende Autos», sagt Lorenzo Bertoni, Doktorand am EPFL-Labor für visuelle Intelligenz im Transportwesen (VITA), «aber wir erkannten schnell, dass wir unser Programm durch Hinzufügen einiger weniger Funktionen zu einem nützlichen Werkzeug für das Pandemiemanagement machen können.» Das VITA-Labor wird von Assistenzprofessor Alexandre Alahi geleitet.

Nachdem sie mehrere Wochen damit verbracht hatten, sich über die Verbreitung des Covid-19-Virus zu informieren, erkannten Bertoni und sein Team – wie auch der Rest der wissenschaftlichen Gemeinschaft –, dass Mikrotröpfchen eine Schlüsselrolle bei der Verbreitung des Virus spielen und dass es für Menschen unerlässlich ist, einen Abstand von mindestens 1,5 Metern einzuhalten, wenn sie keine Gesichtsmaske tragen. Die Forschenden begannen daher, ihren Algorithmus zu optimieren, der ursprünglich darauf ausgelegt war, die Anwesenheit eines anderen Autos oder eines Fussgängers auf der Straße zu erkennen und das selbstfahrende Auto anzuweisen, langsamer zu fahren, anzuhalten, die Richtung zu ändern oder zu beschleunigen. Die Forschenden haben ihre Arbeit gerade in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems veröffentlicht und werden sie am 2. Juni 2021 auf der International Conference on Robotics and Automation (ICRA) vorstellen.

Eine andere Berechnungsmethode

Die derzeit auf dem Markt befindlichen Abstandsdetektoren verwenden fest installierte Kameras und LiDAR-Sensoren (auf Laserbasis). Der 3D-Detektor der EPFL mit dem Namen MonoLoco kann jedoch problemlos an jede Art von Kamera oder Videorekorder – sogar an solche, die im Handel für Unterhaltungselektronik erhältlich sind – oder an ein Smartphone angeschlossen werden. Das liegt daran, dass er einen innovativen Ansatz verwendet, bei dem die Abmessungen der menschlichen Silhouetten und der Abstand zwischen ihnen berechnet wird. In anderen Worten: Er schätzt basierend auf ihrer Grösse und nicht auf Bodenmessungen, wie weit zwei Personen voneinander entfernt sind. «Die meisten Detektoren lokalisieren Personen im 3D-Raum, indem sie davon ausgehen, dass sie sich auf der gleichen ebenen Fläche befinden. Die Kamera muss perfekt still stehen und ihr Nutzen ist daher begrenzt – es gibt Probleme mit der Genauigkeit, wenn zum Beispiel jemand die Treppe hochkommt», sagt Bertoni, der Hauptautor der Studie. «Wir wollten also einen Detektor entwickeln, der genauer ist und eine Strassenlaterne nicht mit einem Fussgänger verwechselt.»

Weitere innovative Merkmale des EPFL-Algorithmus sind, dass er die Körperausrichtung von Personen erkennen und feststellen kann, wie eine Gruppe von Personen interagiert – und vor allem, ob sie sich unterhalten – und bewerten kann, ob sie 1,5 m voneinander entfernt bleiben. Das alles, weil er eine andere Berechnungsmethode verwendet als bestehende Detektoren. Ausserdem bleiben die Gesichter und Silhouetten der gefilmten Personen völlig anonym, weil MonoLoco nur die Abstände zwischen den Gelenken (also Schultern, Handgelenken, Hüften und Knien) misst. Es nimmt ein Bild oder Video eines bestimmten Bereichs auf und wandelt die Körper der Personen in nicht identifizierbare Silhouetten um, die mit Linien und Punkten skizziert werden. Anhand dieser Informationen kann der Algorithmus berechnen, wie weit die Personen voneinander entfernt sind und wie ihre jeweilige Körperausrichtung ist. «Unser Programm muss die Originalbilder und -videos nicht speichern. Und wir glauben, dass das ein Schritt in die richtige Richtung ist, um die Privatsphäre der Menschen zu schützen», sagt Bertoni.

Mehrere Anwendungsmöglichkeiten

«Wir haben uns mehrere Anwendungsmöglichkeiten für unser Programm während einer Pandemie ausgedacht», sagt Bertoni: «In öffentlichen Verkehrsmitteln natürlich, aber auch in Geschäften, Restaurants, Büros und Bahnhöfen – und sogar in Fabriken, da es Menschen sicher arbeiten lassen könnte, indem es für den nötigen Abstand sorgt.» Und die Abstandsvorgabe kann auf bis zu 40 Meter konfiguriert werden, ob zwischen Personen oder Objekten oder beidem, ebenso wie deren Ausrichtung. Die Forschenden haben den Quellcode ihres Algorithmus auf der VITA-Website veröffentlicht und planen in einem gemeinsamen Projekt mit der Schweizerischen Post einen ersten Einsatz in Postbussen.