Entwicklung eines Lidarray-tracing Algorithmus mit Hilfe von OptiX

Das Automobil steckt womöglich in einem seiner größten Umbrüche. Nicht nur aufgrund der Ent-wicklung neuer Antriebstechnologien, sondern auch wegen der Herausforderung des autonomen Fahrens. Gerade deshalb ist es von großer Bedeutung das System Automobil mit Hilfe modernster Technologien sicherer, effizienter und komfortabler zu gestalten. Eine dieser Technologien stellt LiDAR (Light Detection and Ranging) dar. Mit Hilfe der Laserstrahlen, welche Hauptkomponenten dieser Technik sind, ist es möglich, ein exaktes Umgebungsmodell in Form einer Punktwolke zu erstellen. Gerade deshalb zählt LiDAR zu einer der Technologien, welche für den Einsatz im Bereich des autonomen Fahrens genutzt werden. Eine große Herausforderung bei der Einführung des autonomen Fahrens ist der Sicherheitsnachweis, welcher gegeben sein muss. Um die Richtigkeit von Fahrerassistenzsystemen und den damit verbundenen Sensoren zu verifizieren, wird oftmals auf die computergestützte Simulation gesetzt. So wird zum Beispiel auch das vom Fachbereich FZD (Fahrzeugtechnik Darmstadt) der TU Darmstadt entwickelte LiDAR-Modell mittels eines Simulationstools getestet. Hier ergibt sich das Problem, dass interne Berechnungen der Parameter, wie zum Beispiel das Leistungssignal des Laserstrahls, nicht nachvollziehbar sind, da die Simulationstools nicht OpenSource sind. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird ein LiDAR-Raytracing-Algorithmus entwickelt, welcher die Berechnung einzelner Parameter übernimmt. Die Raytracing-Technologie bietet sich dabei an, da diese Strahlen verfolgt, um realistische Effekte zu berechnen und auch bei LiDAR Laserstrahlen verfolgt werden müssen. Dabei steht auch die Materialspezifikation OpenMaterial im Vordergrund. Mittels der Materialeigenschaften werden die physikalischen Effekte Reflexion, Transmission und Absorption der Laserstrahlen betrachtet und berechnet. Dazu wird das bestimmte Strahlenmuster eines Sensors imitiert und die berechneten Parameter anschließend an das ursprüngliche Li-DAR-Modell übergeben. Umgesetzt wird der Raytracer mit Hilfe der Raytracing-Engine OptiX des Unternehmens Nvidia. Diese bietet dem Anwender eine einfache Raytracing-Pipeline und bestmögliche Flexibilität. Bei der Entwicklung wird auf einem vorangegangenen Projekt aufgebaut, welches den grundlegenden Aufbau der Pipeline bereits beinhaltet. Nachdem die Umgebungsszenerie in OptiX erstellt wurde, werden Strahlen nach dem Muster des Sensors generiert und ausgesendet. Treffen die Strahlen auf ein Objekt der Szene, werden bestimmte Parameter für die Visualisierung der Umweltdetektion berechnet und übergeben. Dank des Raytracers, welcher die Berechnungen transparent darstellt, ist eine Verbindung zwischen Simulationstool und dem FZD LiDAR-Modell hergestellt worden, wodurch diese einfacher von anderen Entwicklern nachzuvollziehen sind. Mittels des Raytracer können Distanzparameter, Azimut- und Elevationwinkel berechnet und übergeben werden, sodass eine erste Simulation der LiDAR-Sensoren möglich ist.

The automobile is possibly undergoing one of its greatest upheavals. Not only because of the development of new drive technologies, but also because of the challenge of autonomous driving. For this very reason, it is of great importance to make the automobile system safer, more efficient and more comfortable with the help of the latest technologies. One of these technologies is LiDAR (Light Detection and Ranging). With the help of laser beams, which are the main components of this technology, it is possible to create an exact model of the environment in the form of a point cloud. This is precisely why LiDAR is one of the technologies used for autonomous driving. A major challenge in the introduction of autonomous driving is the safety proof, which must be given. In order to verify the correctness of driver assistance systems and the associated sensors, computer-aided simulation is often used. For example, the LiDAR model developed by the FZD (Fahrzeugtechnik Darmstadt) department of the TU Darmstadt is also tested using a simulation tool. Here, the problem arises that internal calculations of parameters, such as the power signal of the laser beam, are not comprehensible because the simulation tools are not OpenSource. To counteract this problem, a LiDAR ray tracing algorithm is developed, which takes over the calculation of individual parameters. Ray tracing technology lends itself to this because it tracks rays to compute realistic effects and LiDAR also requires laser rays to be tracked. The material specification Open-Material is also in the foreground. Using the material properties, the physical effects of reflection, transmission and absorption of the laser beams are considered and calculated. For this purpose, the specific ray pattern of a sensor is imitated and the calculated parameters are then transferred to the original LiDAR model. The ray tracer is implemented using the OptiX ray tracing engine from Nvidia. This offers the user a simple ray-tracing pipeline and the best possible flexibility. The development is based on a previous project, which already contains the basic structure of the pipeline. After the environment scenery has been created in OptiX, rays are generated and emitted according to the pattern of the sensor. If the rays hit an object of the scene, certain parameters for the visualization of the environment detection are calculated and passed. Thanks to the ray tracer, which displays the calculations transparently, a link between the simulation tool and the FZD LiDAR model has been established, making them easier to follow by other developers. By means of the ray tracer, distance parameters, azimuth and elevation angles can be calculated and transferred, so that a first simulation of the LiDAR sensors is possible.