Indoor Localization Solutions for a Marine Industry Augmented Reality Tool

In this report are described means for indoor localization in special, challenging circum-stances in marine industry. The work has been carried out in MARIN project, where a tool based on mobile augmented reality technologies for marine industry is developed. The tool can be used for various inspection and documentation tasks and it is aimed for improving the efficiency in design and construction work by offering the possibility to visualize the newest 3D-CAD model in real environment. Indoor localization is needed to support the system in initialization of the accurate camera pose calculation and auto-matically finding the right location in the 3D-CAD model. The suitability of each indoor localization method to the specific environment and circumstances is evaluated.

3D-partikkelit aloittelijoille : tarkastelussa 3D-Kalevala-projekti

Opinnäytteeni teososana on 3D-Kalevala projektinimellä tunnetun animaation partikkeliefektit. Tarkastelen tarkemmin elokuvan Lumi-, Kylä-, Paja- ja Luola-kohtauksia. 3D-Kalevala on tietokoneella tehty animaatio, joka kertoo Suomen kansalliseepoksen Kalevalan päähenkilöstä Väinämöisestä. Elokuvassa vanha Väinämöinen muistelee nuoruutensa tapahtumia. 3D-Kalevala-projekti käynnistettiin vuonna 2003, mutta sen alkuperäiset tekijät eivät saaneet sitä valmiiksi, ja projektin teko keskeytettiin vuonna 2005. Vuoden 2006 keväällä projektiin perustettiin uusi kahden verkkoviestinnän opiskelijan projektiryhmä, jonka tehtävänä oli saada elokuva valmiiksi vuoden 2007 kevääseen mennessä. Kun aloitimme projektin tekemisen, olin kolmiulotteisessa mallinnuksessa aloittelija. Tästä johtuen opinnäytteen kirjallinen osa on opas aloittelijoille partikkelien maailmaan. Selvitän raportissani miten elokuvan partikkeliefektit rakennettiin, mitä niiden tekeminen minulta vaati ja miten ne loppujen lopuksi mielestäni onnistuivat. Elokuvan efektit tehtiin 3D Studio Max-ohjelman versiolla 6.0, ja tämän takia kirjoitankin efektien rakentamisesta kyseisen ohjelman keinoin. Projektin suuruuden vuoksi molemmat tekijät pääsivät tekemään monenlaisia töitä, mutta päävastuualueet olivat selvät. Minun osani oli tehdä elokuvaan efektejä. Partikkeliefektit ovat proseduraalisia efektejä, joiden avulla on mahdollista tehdä aidon näköisiä luonnonilmiöitä, kuten tulta, savua, kipinöitä ja veden roiskeita. Koska partikkeliefektit mallintavat reaalimaailman ilmiöitä, on tekijän hyvä olla kiinnostunut selvittämään ilmiöiden käyttäytymistä luonnossa. Raportoin myös projektin aikana huomaamistani hyvistä tavoista opiskella itsenäisesti partikkelien rakentamiseen käytettyjä tekniikoita. On hyvä lukea 3D Studio Maxin tasokasta käyttöohjesovellusta, tutustua Internetissä löytyviin 3D-aiheisiin foorumeihin, käydä aiheesta tutoriaaleja läpi sekä tutustua ohjelman ominaisuuksiin kokeilemalla ja tutkimalla itsenäisesti. Elokuvan efektit onnistuivat mielestäni kiitettävästi ottaen huomioon lähtötasoni. Löysin tapoja kehittää itseäni ja helppoja keinoja toteuttaa realistista jälkeä efektien rakentamisessa. Toivon, että raportistani olisi jollekin 3D-partikkeliefekteistä kiinnostuneelle hyötyä.

Keskeytyneen uusmediatuotannon jatkaminen : kohteena 3D-Kalevala

Opinnäytetyöni aiheena on keskeytyneen uusmediatuotannon jatkaminen. Monimuototyön työosana toteutettiin 7-minuuttinen 3D animaatio, joka kertoo Suomen kansalliseepoksen Kalevalan taruhahmosta Väinämöisestä, muistelemassa menneitä. Projekti käynnistettiin alun perin vuonna 2003, mutta resurssien vähetessä se keskeytyi vuoden 2005 loppupuolella. Keväällä 2006 projekti käynnistettiin uuden projektiryhmän voimin, jossa olin itse mukana vastaten muun muassa tuotannonohjauksesta ja hahmoanimoinneista. Uusi projektiryhmä oli henkilöstöresursseiltaan pieni, joten vastuualueet olivat monipuolisia. Keskeytyneen projektin jatkamisen ja haltuunoton haasteellisuus sai minut kiinnostumaan tutkia aihetta tarkemmin. Tuotannonohjaajana vastasin hyvin pitkälle tuotannon uudesta käynnistämisestä ja projektin saattamisesta vihdoin loppuun. Keskeytyneen projektin haltuunotto oli tilanteena kaikille uusi, mikä heijastui vaikeuksina uudelleen käynnistettyyn tuotantoon. Raportin tarkoituksena ei ole olla projektinhallinnallinen käsikirja, sillä käsittelen vain tämän projektin jatkolle oleellisina pidettyjä asioita. Projekti toivottavasti kuitenkin antaa kuvan huolellisen projektinhallinnan ja onnistuneen tuotannonohjauksen tärkeydestä. Jokainen keskeytynyt projekti ei ole aina välttämättä elvytettävissä - ainakaan alkuperäisessä muodossaan. Projektin jatkamista tulisi katsoa aina tapauskohtaisesti. Keskeytymiseen on useimmiten syynsä, joten ongelmien selvittäminen ja niihin puuttuminen on tärkeää ennen jatkopäätöksen tekemistä. Myös projektityöskentelytavat kehittyvät ja pohdin työssäni uusien projektinhallintatapojen, kuten wikien käyttöä projektinhallinnan työkaluna ja projektiyhteisön välistä viestintää edistävänä työkaluna.

Coarse Global Visual Localization of a Mobile Robot

Localization, which is the ability of a mobile robot to estimate its position within its environment, is a key capability for autonomous operation of any mobile robot. This thesis presents a system for indoor coarse and global localization of a mobile robot based on visual information. The system is based on image matching and uses SIFT features as natural landmarks. Features extracted from training images arestored in a database for use in localization later. During localization an image of the scene is captured using the on-board camera of the robot, features are extracted from the image and the best match is searched from the database. Feature matching is done using the k-d tree algorithm. Experimental results showed that localization accuracy increases with the number of training features used in the training database, while, on the other hand, increasing number of features tended to have a negative impact on the computational time. For some parts of the environment the error rate was relatively high due to a strong correlation of features taken from those places across the environment.

Performance analysis of software run-time behaviour using 3D-visualisation

Monimutkaisen tietokonejärjestelmän suorituskykyoptimointi edellyttää järjestelmän ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden kasvun myötä suorituskykyoptimointi tulee yhä tärkeämmäksi osaksi tuotekehitysprosessia. Tehokkaampien prosessorien käytön myötä myös energiankulutus ja lämmöntuotto ovat nousseet yhä suuremmiksi ongelmiksi, erityisesti pienissä, kannettavissa laitteissa. Lämpö- ja energiaongelmien rajoittamiseksi on kehitetty suorituskyvyn skaalausmenetelmiä, jotka edelleen lisäävät järjestelmän kompleksisuutta ja suorituskykyoptimoinnin tarvetta. Tässä työssä kehitettiin visualisointi- ja analysointityökalu ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämisen helpottamiseksi. Lisäksi kehitettiin suorituskyvyn mitta, joka mahdollistaa erilaisten skaalausmenetelmien vertailun ja arvioimisen suoritusympäristöstä riippumatta, perustuen joko suoritustallenteen tai teoreettiseen analyysiin. Työkalu esittää ajonaikaisesti kerätyn tallenteen helposti ymmärrettävällä tavalla. Se näyttää mm. prosessit, prosessorikuorman, skaalausmenetelmien toiminnan sekä energiankulutuksen kolmiulotteista grafiikkaa käyttäen. Työkalu tuottaa myös käyttäjän valitsemasta osasta suorituskuvaa numeerista tietoa, joka sisältää useita oleellisia suorituskykyarvoja ja tilastotietoa. Työkalun sovellettavuutta tarkasteltiin todellisesta laitteesta saatua suoritustallennetta sekä suorituskyvyn skaalauksen simulointia analysoimalla. Skaalausmekanismin parametrien vaikutus simuloidun laitteen suorituskykyyn analysoitiin.

3D-muodot tuoliaihion muotopuristuksessa

Diplomityössä tutkittiin muotopuristeissa käytettävien viilujen soveltuvuutta yhteistyöyrityksen, VK Valmiskaluste Oy:n, valmistaman lepotuolin materiaaliksi. Tuoliaihion muoto edellytti viilun taivuttamista kahteen suuntaan, eli kyseessä oli ns. 3D-muoto. Muotopuristeita valmistavissa yrityksissä tehtyjen haastattelujen perusteella valittiin viilumateriaalit ja mitattiin niiden murtovenymä. Materiaaleja testattiin puristamalla tuoliaihioita. Aihionmuoto edellytti viilulta vähintään 3,3 %:n venyvyyttä. Koepuristuksetvahvistivat murtovenymätestauksen tulokset, eli tutkitun aihion pintarakenne säilyi ehjänä käyttämällä paperitaustaista viilua tai 3D-muotoihin tarkoitettua 3D-viilua. Kirjallisuusosiossa on selvitetty taivutettavuuteen vaikuttavia tekijöitä ja viilun rakenteen muokkausta taivutettavuuden parantamiseksi .

Prosessilaitosten asennusjärjestyksen simulointi 3D-malleilla

Työn tavoitteena on haihduttamon asennusjärjestyksen havainnollistaminen 3D animaatiota hyväksikäyttäen, sekä sen hyödyntäminen niin myynti- kuin asennusneuvotteluissa. Kirjallinen osio perustuu tehtyyn 3D-animaatioon, joka onjaettu kolmeen pääalueeseen. Ensimmäisessä vaiheessa kerrotaan lyhyesti Andritz Oy:n liiketoiminnasta sekä selvitetään haihduttamoprosessin toimintaperiaatteet. Toinen alue käsittää toimintaprojektin, jossa tuotettu 3D-animaatio linkitetään sen käyttöympäristöön. Kolmannessa alueessa käydään läpi 3D-animaation tekoon liittyvät asiat. Lopuksi ennen yhteenvetoa käydään vielä läpi käyttäjien kommentit tehdystä animaatiosta.

3D-robottipoimintajärjestelmän kehittäminen

Lasertekniikkaa hyödyntävä 3D-kuvaustekniikka tuo uusia mahdollisuuksia robotilla suoritettavaan kasastapoimintaan. Kasasta otetun syvyyskuvan avulla tuotteista voidaan määrittää perinteisen XY-paikkatiedon lisäksi tuotteen korkeus- ja asentotieto. Näitä uusia ominaisuuksia hyödyntämällä robotilla voidaan suorittaa yksittäisen tuotteen poiminta kasasta eri korkeuksilta ja eri asennoista. Diplomityö kuuluu osana Master Automation Groupin ensimmäiseen 3D-tekniikkaan perustuvaan MAG PixCell 3D -robosoituun kappaleenkäsittelysoluun. Työn tavoitteena on kehittääsyvyyskuvan käsittelyyn algoritmeja, joiden avulla robotilla voidaan poimia yksitellen kasassa olevia metallisia saksen teriä. Algoritmien tarkoituksena on varmistaa kasasta löydettyjen terien poimittavuus sekä määrittää poimittavien terien korkeudet ja asennot. Tarkastusten jälkeen robotille välitetään terien XYZ-koordinaatti- ja asentotiedot.

Mobile robot localization using sonar ranging and wlan intensity maps

 Main goal of this thesis was to implement a localization system which uses sonars and WLAN intensity maps to localize an indoor mobile robot. A probabilistic localization method, Monte Carlo Localization is used in localization. Also the theory behind probabilistic localization is explained. Two main problems in mobile robotics, path tracking and global localization, are solved in this thesis. Implemented system can achieve acceptable performance in path tracking. Global localization using WLAN received signal strength information is shown to provide good results, which can be used to localize the robot accurately, but also some bad results, which are no use when trying to localize the robot to the correct place. Main goal of solving ambiguity in office like environment is achieved in many test cases.

Reconstruction of 3D Planar Objects with Partial Occlusion

Kolmiulotteisten kappaleiden rekonstruktio on yksi konenäön haastavimmista ongelmista, koska kappaleiden kolmiulotteisia etäisyyksiä ei voida selvittää yhdestä kaksiulotteisesta kuvasta. Ongelma voidaan ratkaista stereonäön avulla, jossa näkymän kolmiulotteinen rakenne päätellään usean kuvan perusteella. Tämä lähestymistapa mahdollistaa kuitenkin vain rekonstruktion niille kappaleiden osille, jotka näkyvät vähintään kahdessa kuvassa. Piilossa olevien osien rekonstruktio ei ole mahdollista pelkästään stereonäön avulla. Tässä työssä on kehitetty uusi menetelmä osittain piilossa olevien kolmiulotteisten tasomaisten kappaleiden rekonstruktioon. Menetelmän avulla voidaan selvittää hyvällä tarkkuudella tasomaisista pinnoista koostuvan kappaleen muoto ja paikka käyttäen kahta kuvaa kappaleesta. Menetelmä perustuu epipolaarigeometriaan, jonka avulla selvitetään molemmissa kuvissa näkyvät kappaleiden osat. Osittain piilossa olevien piirteiden rekonstruointi suoritetaan käyttämäen stereonäköä sekä tietoa kappaleen rakenteesta. Esitettyä ratkaisua voitaisiin käyttää esimerkiksi kolmiulotteisten kappaleiden visualisointiin, robotin navigointiin tai esineentunnistukseen.

3D-suunnittelujärjestelmän ja tuotetiedonhallintajärjestelmän integrointi

3D-suunnittelujärjestelmät ovat tärkeitä työkaluja tuotetiedon luomista ja muokkaamista varten, joten niiden tehokas toiminta yhdessä tuotetiedonhallintajärjestelmien kanssa on erittäin tärkeää. 3D-suunnittelujärjestelmien kehityksen seurauksena 3D-malleihin voidaan sisällyttää entistä enemmän tuotetietoa, jolloin tehokas tiedon tallentaminen ja sen hallinta kasvattaa merkitystään. 3D-malleihin sisältyvää tietoa, kuten esimerkiksi kappaleen painoa tai geometriaa, halutaan myös tarkastella ilman tiettyä 3D-järjestelmää. Tuotetiedon hallinta on ollut jo pitkään tärkeä osa tuotteen suunnitteluprosessia. Tuotetiedon hallintaan sisältyy tiedon luomista, keräämistä ja muokkaamista koko tuotteen eliniän ajan. Näitä tietoja voivat olla esimerkiksi piirustukset, 3D-mallit, mittauspöytäkirjat, kokouspöytäkirjat, mallistoluettelot, lujuuslaskelmat, huoltoraportit jne. Tuotetiedonhallintajärjestelmä pitää huolta kaikesta tästä tiedosta ja sen kautta tuotteisiin liittyvää tietoa voidaan myös muokata ja jakaa tehokkaasti. Tässä diplomityössä tutkittiin näiden kahden järjestelmän integraation toteutusta erilaisilla menetelmillä. Työn tarkoituksena oli valita Valtra Oy:n tarkoituksiin parhaiten sopiva menetelmä tuotetiedon siirtämiseksi järjestelmien välillä tehokkaasti. Työn tuloksena annetaan suositus käytettävistä menetelmistä ja työkaluista.

Tuotteen suunnitteluketjun tehostaminen 3D-ympäristössä

Tämä diplomityö on tehty Andritz Oy:lle Washers & Filters tuoteryhmään. Työ on osa 3D-suunnittelujärjestelmän käyttöönottoprojektia. Tavoitteena on arvioida uuden laitesuunnittelujärjestelmän vaikutuksia yrityksen tietojärjestelmiin ja toimintatapoihin sekä etsiä potentiaalisia tulevaisuuden kehityskohteita. Suunnittelutietoa hyödyntäviä sidosryhmien edustajia haastattelemalla selvitettiin järjestelmille ja ohjelmistoille asetettavia vaatimuksia. Ohjelmistoihin tutustumalla saatiin käsitys niiden nykytilasta ja kehityssuunnista. 3D-geometrian hyödyntämiseen perustuvilla järjestelmillä voidaan poistaa päällekäistä työtä sekä lyhentää läpimenoaikoja suunnittelussa ja valmistuksessa sijoittamalla työvaiheita rinnakkain. Suurimmat 3D-suunnittelun edut saavutetaan tuotekehitysvaiheessa, tuotemuutoksia tehtäessä sekä valmistusprosesseja suunniteltaessa. Ongelmallisimmat osa-alueet tietojärjestelmien kehittämisessä ovat ensi-sijaisesti tiedonsiirto ohjelmistojen välillä, työntekijöiden muutosvastarinta sekä laadukkaiden järjestelmien korkea hinta. Laajojen tietojärjestelmä-projektien läpivienti on hyvin haastavaa ja onnistuminen vaatii kaikkien sidosryhmien mukana olemista ja tarkkaa projektin koordinointia.

3D-tuoteyhdistelmämallien ja mittakuvien tuottaminen PDM-järjestelmästä

Tämä diplomityö on selvitystyö mittakuvien ja kolmiulotteisten CAD-mallien tuottamisesta. Mittakuvat ja 3D-CAD-mallit halutaan Neles-tuotemerkin omaaville tuotteille. Olennaisena osana työssä on tuotetiedonhallintajärjestelmä AtonPDM, koska mittakuvia ja malleja toivottaisiin hallittavan AtonPDM-järjestelmällä. Työ tehdään Metso Automationin (MA) Flow Control (FC) –liiketoimintalinjalle. Nykyiset mittakuvat aiheuttavat ongelmia sekä MA:ssa että asiakkaille. MA:ssa mittakuvien tekeminen kestää kauemmin kuin asiakas toivoisi. Nykyisen mittakuvaohjelmiston riittämättömät ominaisuudet aiheuttavat lisätyötä mittakuvien valmistuksessa. Asiakkaille mittakuvien viivästyminen on suunnittelua hidastava tekijä. Mittakuvissa olevat virheet ja puutteet vaikeuttavat asiakkaan suunnittelutyötä ja saattavat päästä läpi tarkatuksien myös loppusuunnitelmiin, jolloin seurauksena voi olla rahallisia menetyksiä. Tämän päivän putkistosuunnittelu hoidetaan suurimmaksi osaksi 3D-CADohjelmistoilla. Suunnittelua helpotetaan ja nopeutetaan valmiilla komponenttien 3Dmalleilla, joihin on liitetty tuotetietoa. Työssä on haastateltu MA:n henkilökuntaa, CAD-järjestelmien toimittajia ja asiakkaita. Haastattelut ovat työn tärkein tiedonlähde. Teoriatietoa on selvitetty kirjoista, lehdistä ja internetistä. Teoriaosiossa käydään läpi tuotetiedonhallinta (Product Data Management, PDM), tietokanta ja parametrinen mallintaminen. Työn lopputuloksena on pyritty saamaan kuvaus siitä miten tuotetaan 3D-CAD-mallit ja mittakuvat Neles-tuotteista käyttäen tiedonlähteenä AtonPDM:ää ja millaisia 3Dmallien ja mittakuvien tulee olla. Malleja ja mittakuvia tuottavaan järjestelmään on etsitty ratkaisuja CAD-ohjelmistoista. Ratkaisuja on verrattu keskenään ominaisuuksien, joustavuuden ja AtonPDM yhteensopivuuden perusteella.

Java 3D

Tämä insinöörityö kertoo Java 3D -ohjelmointirajapinnan perusteista ja sen käytöstä kolmiulotteisen tietokonegrafiikan luomisessa Java ohjelmointikielellä. Java 3D on rajapinta Java-ohjelmointikielelle, jonka avulla voidaan luoda ja käsitellä kolmiulotteista tietokonegrafiikkaa. Java 3D -rajapinnan avulla käsitellään kolmiulotteista tietokonegrafiikka erityisen maisemagraafimallin avulla. Maisemagraafi on binääripuuta muistuttava malli, joka mahdollistaa kolmiulotteisten kohteiden ja niille tapahtuvien muunnoksien käsittelyn hierarkisessa järjestyksessä. Työssä käydään läpi Java 3D -maisemagraafien luominen ja kolmiulotteisessa avaruudessa sijaitseville kappaleille tehtäviä perusoperaatioita kuten siirtoa ja kiertoa. Lisäksi käydään läpi myös erilaisia animoinnissa ja interaktiossa käytettäviä luokkia, joiden avulla ohjelmoija saa automatisoitua muunnoksia sekä käyttäjä voi antaa syötteitä hiirellä ja näppäimistöllä. Näiden lisäksi käydään läpi myös mallin valaistusta, varjoja, teksturointia sekä omien kolmiulotteisten mallien tuontia Java 3D -maailmaan. Opinnäytetyön yhteydessä on tehty myös kirjo erilaisia esimerkkejä, jotka ovat saatavilla verkkosivustolta osoitteessa http://www.pahvilaatikko.org/j3d lisäksi kopio verkkosivustosta löytyy myös opinnäytetyön mukana tulevalta cd-levyltä.