Spektakuläre Bilder dank effizientem Algorithmus

Wenn James Bond in ?Skyfall? auf dem Dach eines durch die W¨¹ste brausenden Zugs versucht seinen Gegner unsch?dlich zu machen, kleben die meisten Zuschauer wie gebannt an der Leinwand. Die Spannung entsteht durch eine Reihe von schnell wechselnden Einstellungen: Ein Close-up von Bonds Gesicht, dann eine Halbtotale der Kampfszene und schliesslich eine Supertotale von Zug, W¨¹ste und den k?mpfenden M?nnern. Das Abfilmen dieser Szene war mit einem enormen personellen, materiellen und technischen Aufwand verbunden. Mehrere Kameraleute waren an unterschiedlichen Standorten stundenlang im Einsatz. Und f¨¹r die spektakul?ren Nahaufnahmen musste sogar ein Kamerakran auf dem Zugdach aufgebaut werden.  

Tobias N?geli, Doktorand am Advanced Interactive Technologies Lab von ETH-Professor Otmar Hilliges, ist ¨¹berzeugt, dass sich solche Szenen auch mit weniger Aufwand filmen lassen. Gemeinsam mit Forschern der Delft University of Technology und des ETH-Spin-off Embotech hat er einen Algorithmus entwickelt, der es Drohnen erm?glichen soll, dynamische Szenen selbst?ndig so zu filmen, wie sie von Regisseuren und Kameraleuten ausgedacht werden.

Kontrolle ¨¹ber Bildausschnitt behalten

Drohnen werden seit Jahren zum Filmen eingesetzt. Doch f¨¹r gute Aufnahmen sind meist zwei erfahrene Experten notwendig ¨C einer f¨¹r die Steuerung der Drohne und einer f¨¹r die Einstellung der Kamera. Das ist aufwendig und kostet viel Geld. Zwar gibt es heute schon kommerzielle Kameradrohnen, die einer zuvor definierten Person selbst?ndig folgen k?nnen. ?Doch dabei verliert der Regisseur die Kontrolle ¨¹ber den Bildausschnitt und die M?glichkeit mehrere Personen gleichzeitig im Bild zu behalten?, sagt N?geli. ?Wir haben deshalb eine intuitive Steuerung entwickelt.?

Zur Erkl?rung des Systems macht N?geli eine Analogie zu Staubsauger-Robotern: ?Wir geben dem Roboter nicht den exakten Weg vor, den dieser abfahren soll. Wir definieren nur das Ziel; n?mlich dass der Raum am Ende sauber sein soll.? Auf den Film ¨¹bertragen heisst das: F¨¹r den Regisseur ist nicht wichtig, wo genau sich die Drohne zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Hauptsache, die Kameraeinstellung entspricht am Ende seinen Vorstellungen.

Diese ?bersetzungsleistung von Kameramann zu Drohne ¨¹bernimmt N?gelis Algorithmus. Parameter, wie der Bildausschnitt, die zu verfolgende Person oder Kranen- sowie Kamerafahrten lassen sich dar¨¹ber vor dem Flug definieren. Hinzu kommen zugunsten der Sicherheit r?umliche Begrenzungen, innerhalb derer sich die Drohne frei bewegen kann. Der genaue Weg und Zeitpunkt f¨¹r Richtungs?nderungen werden von der Drohne 50 Mal pro Sekunde neu berechnet. Die daf¨¹r ben?tigen Daten stammen von GPS-Sensoren.

Low cost-Equipment und effizienter Algorithmus

F¨¹r einen ersten Machbarkeitsnachweis nutzte N?geli eine einfache Drohne, die ¨¹ber das Internet f¨¹r weniger als 500 Franken zu kaufen ist. Der Algorithmus l?uft nicht auf der Drohne selbst, sondern auf einem externen Laptop, der ¨¹ber Funk und Richtstrahlantenne mit der Drohne verbunden ist. Damit sind Fl¨¹ge bis zu einer Reichweite von eineinhalb Kilometern m?glich. ?Das reicht f¨¹r die meisten angedachten Anwendungen?, kommentiert N?geli.

In einer ersten Publikation anfangs Jahr bewies N?geli gemeinsam mit Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT), dass die Drohne zuvor definierte Shots unter Ber¨¹cksichtigung von Bildausschnitt sowie Position und Winkel eines Schauspielers im Bild selbst?ndig ausf¨¹hren kann.

Dabei erkennt die Drohne auch st?rende Objekte und weicht diesen automatisch aus. F¨¹r eine zweite Publikation beauftragte N?geli die Filmemacherin Christina Welter der Z¨¹rcher Hochschule der K¨¹nste (ZHdK) damit, eine Szene mit vorgegebener Handlung zu skizzieren, f¨¹r die normalerweise mehrere Kameras und Schienen f¨¹r Kamerafahrten n?tig w?ren. N?geli programmierte zwei untereinander kommunizierende Drohnen mit den entsprechenden Regieanweisungen.

Damit gelingen ihm auch traditionell schwierig umsetzbare Aufnahmen, wie eine Kamerafahrt durch ein offenes Fenster oder das Filmen mit zwei Kameras in einem engen Innenraum. Durch entsprechende Programmierung konnte N?geli ausserdem verhindern, dass sich die Drohnen gegenseitig ins Bild flogen.

Die Kameraleute der ZHdK standen N?gelis Innovation skeptisch gegen¨¹ber, schliesslich ist die Komposition eines guten Bildes ein hart erlerntes Handwerk. ?Wir wollen aber auf keinen Fall den Regisseur oder die Kameraleute ersetzen?, erkl?rt N?geli. ?Vielmehr soll unser System die Palette an Werkzeugen von Filmemachern erweitern und zuvor unm?gliche oder nur mit sehr viel Aufwand verbundene Einstellungen erm?glichen.?

Einsatz f¨¹r Sport¨¹bertragungen und Inspektionen

N?geli spielt derzeit mit dem Gedanken, nach Abschluss seiner Doktorarbeit einen Spin-off zur Vermarktung der Technologie zu gr¨¹nden. Die ETH Z¨¹rich hat bereits ein Patent f¨¹r den Algorithmus angemeldet. N?geli ist ¨¹berzeugt, dass Medien- und Filmproduktionen ein Interesse daran haben k?nnten. Dies zeigt unter anderem ein Forschungsprojekt mit Beteiligung von Deutsche Welle und der italienischen RAI, das von der EU im Rahmen von Horizon 2020 gef?rdert wird.

Ein erstes Einsatzgebiet f¨¹r die Algorithmen sieht N?geli nicht in Filmstudios, sondern bei Sport¨¹bertragungen f¨¹rs Fernsehen, zum Beispiel f¨¹r Skirennen. ?Dort sind dynamische Aufnahmen ?usserst gefragt?, sagt N?geli. ?Doch manuell geflogene Filmdrohnen k?nnen die Athleten gef?hrden, wie Drohnenabst¨¹rze in der Vergangenheit gezeigt haben.? Heute werden deshalb meist ?Spidercams? eingesetzt, wie zum Beispiel an der Ski-WM in St. Moritz. Die Kamera l?uft an einem Drahtseil ¨¹ber dem Athleten mit. Dass auch dies nicht ungef?hrlich ist, zeigte die Kollision eines Flugzeugs mit der Installation in St. Moritz im Februar. ?Wir machen eigentlich dasselbe wie Spidercams, nur virtuell und ohne Kabel?, sagt N?geli. ?Wir k?nnen zuvor virtuelle Flugstrassen anlegen, die verhindern, dass die Drohnen einen minimalen Sicherheitsabstand zum Athleten unterschreiten.?

Auch f¨¹r Inspektionen von Industrieanlagen k?nnten die Algorithmen eingesetzt werden, zum Beispiel bei Windr?dern, die Mithilfe von Drohnen auf Defekte abgesucht werden. Oder zu Transportzwecken: So k?nnte man Luftkorridore definieren, in welchen bei Notf?llen Blutkonserven oder Spenderorgane sicher transportiert werden k?nnen. ?Innerhalb dieses Korridors k?nnte die Drohne selbst?ndig die schnellste und sicherste Flugroute finden.?

Filmsets voller Drohnen

Doch zur¨¹ck zum Film: Wie wird die Technologie diesen l?ngerfristig ver?ndern? Werden bald mehrmin¨¹tige Szenen ausschliesslich mit Drohnen gefilmt werden? ?Ich sehe keinen Grund, weshalb nicht?, sagt N?geli. ?Schon heute kann man 50 Drohnen synchronisieren. Mit unserem Algorithmus k?nnten alle so programmiert werden, dass sie genau diejenigen Bilder schiessen, die vom Regisseur gew¨¹nscht werden.? Also zum Beispiel den heldenhafte Kampf auf dem fahrenden Zug in ?Skyfall? ohne Kameraaufbauten und ohne Heer von Kameraleuten filmen? ?Aktuell steckt der Algorithmus noch in den Kinderschuhen?, erkl?rt N?geli. ?Aber bei entsprechenden Investitionen in die Technologie und mit einem engagierten Team k?nnten wir in ein bis zwei Jahren soweit sein.?