Mit intelligenten Verkehrsampeln den Straßenverkehr in Fluss bringen

By Hildegard Suntinger

Unnötig lange Rotphasen an Verkehrsampeln strapazieren die Nerven eiliger Verkehrsteilnehmer. Mit intelligenten Verkehrsampeln wird dies bald Vergangenheit sein: Eingebaute Kameras erkennen wartende Fußgänger und leiten die Grünphase automatisch ein. Für Fußgänger in Wien wird dies bis Ende 2020 Realität sein.

Zweihundert Verkehrsampeln in Wien sind sogenannte Druckknopf-Ampeln. Der Druckknopf bietet Fußgängern, welche die Straße überqueren wollen, die Möglichkeit, die Ampelphase zu beeinflussen. Drücken diese den Knopf, wird nach einer Wartezeit die Grünphase ausgelöst und die sichere Straßenüberquerung ist möglich. Das Problem daran: Ungeduldige Fußgänger, die den Knopf drücken, aber

die Straße bei rot überqueren;
weitergehen und die Straße an einer anderen Stelle überqueren;

Dazu kommen Fußgänger, welche den Druckknopf einfach aus Spaß im Vorübergehen betätigen. All das führt vice versa für die motorisierten Straßenteilnehmer zu unnötigen Wartezeiten.

Innovation der TU Graz

Schon vor etwa zwei Jahren beauftragte die Magistratsabteilung 33 der Stadt Wien ein intelligentes Ampelsystem. Diese ist für die städtische Beleuchtung sowie für Ampeln, Uhren und öffentliche WLAN-Stationen zuständig. Ziel war es, ein möglichst fließendes Verkehrssystem zu entwickeln. Ausführende waren Forschende des Instituts für Maschinelles Sehen und Darstellen (ICG) der TU Graz. Jetzt sind die Forschungsarbeiten abgeschlossen und das neue Verkehrsampel-System geht in die Pilotphase.

Kamerabasierte Bilderkennung

Das ICG an der TU Graz ist die einzige akademische österreichische Forschergruppe, die sich sowohl mit Computer Vision als auch mit Computer Graphik beschäftigt. Ziel ist es, die Grenzen zwischen den beiden Gebieten aufzuheben. Das am Institut entwickelte Verkehrsampel-System ist bildbasiert. Fußgänger, die beabsichtigen, die Straße zu überqueren, werden durch eine Kamera erkannt. Das System bietet drei wesentliche Funktionen:

Befinden sich Fußgänger in der Wartezone, wird die Grünphase automatisch eingeleitet.
Verlassen Personen den Wartebereich vorzeitig, wird dies vom System erkannt. Die Einleitung der Grünphase wird abgebrochen und die motorisierten Verkehrsteilnehmer bleiben im Fluss.
Überqueren größere Gruppen – wie etwa Schulklassen – die Straße, so wird die Grünphase automatisch verlängert.

Lernende Algorithmen

Die an der Ampel montierte Kamera übertrifft vorhandene Standard- Industrielösungen. Decken diese ein Sichtfeld von zwei mal drei Metern ab, so sind es bei der Kamera der ICG-Forscher acht mal fünf Meter. Alle Personen innerhalb des Sichtfelds werden in Sekundenschnelle erkannt. „Für eine erste Intentionsschätzung benötigt das System eine Sekunde – verlässlich ist die Schätzung schon nach zwei Sekunden“, erklärt Horst Possegger vom Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen.

Das System erkennt den Querungswunsch von Fußgängern über lernende Algorithmen. Diese wurden von den Forschenden anhand von globalen Bewegungsmodellen und aufgezeichneten Daten entwickelt.

Rasche Reaktion

Nach dem Ablauf von zwei Sekunden meldet das System den Querungswunsch an den Ampel-Controller. Dieser entscheidet, wann die Ampelschaltung erfolgt. In der aktuellen Konfiguration meldet das System den Querungswunsch drei bis vier Sekunden bevor der Druckknopf betätigt wird, erklärt Possegger.

Präzise und effizient

Das System klingt simpel. Die Forschungsarbeit war jedoch intensiv – aufgrund der vielfältigen Anforderungen, die teilweise widersprüchlich waren. Die Hardware musste so klein wie möglich gebaut werden, um in den Schaltkasten der Ampel integriert werden zu können. Gleichzeitig musste diese groß genug für einen leistungsstarken lokalen Rechner sein. Bei der Software hatten Präzision und Effizienz höchste Priorität.

Systemüberwachung

Um die Ausfallszeiten möglichst kurz zu halten, wurde das Programm mit einer Systemüberwachung ausgestattet, die Ausfälle sofort meldet. „Das ist eine doppelte Absicherung. Das System wurde so entwickelt, dass es selbst in rauer Umgebung rund um die Uhr funktioniert und auch mit Spannungsspitzen und Spannungsabfällen fertig wird“, erklärt Possegger.

Datenschutz

Der Datenschutz sei durch die Aufzeichnung von Bilddaten nicht gefährdet, so Possegger. Die Bilddaten seien zwingend notwendig, um alle Ausprägungen von Fußgängern erkennen zu können: Erwachsene, Kinder, Personen mit Regenschirm oder Kinderwagen, … Die Bilder werden aber direkt analysiert und verlassen die Kamera nicht. Relevant seien ausschließlich geometrische Informationen, aus denen der Querungswunsch abzuleiten ist, so Possegger.

Das neue Verkehrsampel-System soll bis Ende 2020 implementiert werden. Verantwortlich ist die Günther Pichler GmbH. Diese wird sowohl die Evaluierungsphase an ausgesuchten Standorten durchführen als auch die Installation.

Hier finden Sie ein Video zur Funktionsweise des Kamera-Trackings: Occlusion Geodesics for Online Multi-Object Tracking