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In the presented project, new approaches for the prevention of hand movements leading to hazards and for non-contact detection of fingers are intended to permit comprehensive and economical protection on circular saws. The basic principles may also be applied to other machines with manual loading and/or unloading. Two new detection principles are explained. The first is the distinction between skin and wood or other material by spectral analysis in the near infrared region. Using LED and photodiodes it is possible to detect fingers and hands reliable. With a kind of light curtain the intrusion into the dangerous zone near the blade can be prevented. The second principle is video image processing to detect persons, arms and fingers. In the first stage of development the detection of upper limb extremities within a defined hazard area by means of a computer based video image analysis is investigated.
Vorrichtung zur Authentifikation einer Person anhand mindestens eines biometrischen Parameters
(2008)
Die Vorrichtung zur Authentifikation einer Person anhand mindestens eines biometrischen Parameters, insbesondere anhand eines Fingerabdrucks, ist versehen mit einem Biometrie-Detektor (20) zur Detektion eines biometrischen Parameters, einem Haut-Detektor (24) zur berührungslosen Erkennung lebender menschlicher Haut innerhalb eines Erfassungsbereichs. Der Haut-Detektor (24) weist mindestens eine Gruppe aus mindestens einer Strahlungseinheit (26, 28) und mindestens einer Empfangseinheit (30) auf. Die mindestens eine Strahlungseinheit (26, 28) gibt in Richtung auf den Erfassungsbereich Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 1500 nm ab, wobei mindestens eine der Wellenlängen (26, 28) im Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1500 nm liegt und die mindestens eine Empfangseinheit (30) aus dem Erfassungsbereich reflektierte Strahlung empfängt. Ferner ist die Vorrichtung versehen mit einer mit dem Biometer-Detektor (20) und dem Haut-Detektor (24) verbundenen Signalauswerteeinheit (22) zur Auswertung der Intensität der von der Empfangseinheit (30) empfangenen reflektierten Strahlungen der Strahlungseinheit (26, 28). In der Signalauswerteeinheit (22) ist anhand der Intensitäten der von der Empfangseinheit (30) empfangenen reflektierten Strahlungen der Strahlungseinheit (26, 28) bei den zwei unterschiedlichen Wellenlängen ermittelbar, ob der Haut-Detektor lebende menschliche Haut erkennt.
In this paper, we introduce an optical sensor system, which is integrated into an industrial push-button. The sensor allows to classify the type of material that is in contact with the button when pressed into different material categories on the basis of the material's so called "spectral signature". An approach for a safety sensor system at circular table saws on the same base has been introduced previously on SIAS-2007. This contactless working sensor is able to distinguish reliably between skin, textiles, leather and various other kinds of materials. A typical application for this intelligent push-button is the use at possibly dangerous machines, whose operating instructions include either the prohibition or the obligation to wear gloves during the work at the machine. An exemple of machines at which no gloves are allowed are pillar drilling machines, because of the risk of getting caught in the drill chuck and being turned in by the machine. In many cases this causes very serious hand injuries. Depending on the application needs, the sensor system integrated into the push-button can be configured flexibly by software to prevent the operator from accidentally starting a machine with or without gloves, which can decrease the risk of severe accidents significantly. Especially two-hand controls are incentive to manipulation for easier handling. By equipping both push-buttons of a two-hand control with material classification properties, the user is forced to operate the controls with his bare fingers. That limitation disallows the manipulation of a two-hand control by a simple rodding device.
Microcontroller-based sensor systems offer great opportunities for the implementation of safety features for potentially dangerous machinery. However, in general they are difficult to assess with regard to their reliability and failure rate. This paper describes the safety assessment of hardware and software of a new and innovative sensor system. The hardware is assessed by standardized methods according to norm EN ISO 13849-1, while the use of model checking is presented as an approach to solve the problem of validating the software.
At previous SIAS conferences, we presented a novel opto-electronic safety sensor system for skin detection at circular saws jointly developed with the Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance (IFA). This work now presents the development results of our consecutive research on a prototype of a sensor system for more general production machine applications including robot workplaces. The system uses offthe shelf LEDs and photodiodes in combination with dedicated optics and a microcontroller system to implement a so-called spectral light curtain.
The device (10) has a handrail (18) provided with an optical contactless monitoring device formed as an active sensor system, where the monitoring device is arranged in a region of a guide (14) of the handrail at a front base (16) of an escalator (12) or a moving pavement. The monitoring device has two transmission paths (28, 30) with wavelength bands that are different from each other, where one of the paths includes the handrail. Ratio or difference between signals of the paths is used for recognizing foreign bodies e.g. hands of adults and children.
This paper presents recent research on an active multispectral scanning sensor capable of classifying an object's surface material in order to distinguish between different kinds of materials and human skin. The sensor itself has already been presented in previous work and can be used in conjunction with safeguarding equipment at manually-fed machines or robot workplaces, for example. This work shows how an extended sensor system with advanced material classifiers can be used to provide additional value by distinguishing different materials of work pieces in order to suggest different tools or parameters for the machine (e.g. the use of a different saw blade or rotation speed at table saws). Additionally, a first implementation and evaluation of an active multispectral camera system addressing new safety applications is described. Both approaches intend to increase the productivity and the user's acceptance of the sensor technology.
The use of manually fed machines (e.g. table saws) bares risks of injury that are clearly above the average level of other high risk workplaces.
The wide use of such machines causes severe problems for occupational safety and implies high costs for medical treatments and accident annuities.
This thesis presents a new concept of a multispectral sensor to monitor an area in front of a danger zone to detect the user’s limbs and trigger safeguarding measures to prevent an accident in time.
The sensor concept realizes a contact-free material classification, which comprises the development of a system design and specific safety requirements with respect to international safety standards.
Furthermore, a prototypical implementation using four wavebands, which were determined for skin detection through an analysis of reflectance spectra acquired specifically for this purpose, was built.
Im Rahmen der Forschungsprojekte FeGeb und SPAI wurden bei zahlreichen Probanden Hautproben an mehreren Stellen des Gesichts, sowie der Arme und Hände, mit einem Nahinfrarot-Spektrometer (NIR, auch „Short Wave Infrared“, SWIR) erfasst und die Gesichter der Probanden zusätzlich mit einer hochwertigen Farb-Kamera, sowie einem selbst entwickelten multispektralen NIR-Kamerasystem aus mehreren Perspektiven aufgenommen. Vorrangiges Ziel dieser Messreihe war es, die Robustheit des an der Hochschule entwickelten Verfahrens zur berührungslosen Hauterkennung mittels multispektraler Nahinfrarotsensorik nachzuweisen. Haut ist im nahinfraroten Spektralbereich unabhängig von Geschlecht, Alter und Hauttyp sehr gut von anderen Materialien unterscheidbar. Weiterhin konnte mit Hilfe der so aufgenommenen Daten ein Klassifikator trainiert werden, der auch „Fälschungen“ wie beispielsweise Latexmasken zuverlässig von echter Haut unterscheiden kann.
Ein Teil der aus dieser Messreihe entstandenen Datenbank kann zum Download angefordert und für wissenschaftliche und akademische Zwecke in Forschung und Lehre kostenfrei verwendet werden.
In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Verfahren zur Echtzeitüberwachung von Laserbohrprozessen vorgestellt. Die Untersuchungen werden an unterschiedlichen Materialien unter Einsatz eines passiv-gütegeschalteten Nd:YAG Lasers durchgeführt. Prozessbegleitend findet eine Aufzeichnung der akustischen Emissionen mit anschließender Analyse durch schnelle Fourier-Transformation statt. Hierdurch lassen sich der Durchbruch beim Bohren durch ein Material sowie der Materialübergang mehrschichtiger Systeme detektieren. Die akustischen Messungen werden durchAuswertung der Pulsfolge des Lasers mittels einer Fotodiode gestützt. Hierbei zeigt sich eine gute Übereinstimmung der im akustischen Spektrum dominanten Frequenz mit der jeweils im Laserburstauftretenden Pulsfrequenz. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Echtzeitüberwachung beim Laserbohren mittels kostengünstiger und einfacher Hardware. Zudem zeichnet es sich im Gegensatz zu bestehenden Verfahren durch eine hohe Robustheit gegen äußere Störeinflüsse aus, da eine frequenzbasierte Auswertung stattfindet.
Unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtungen sind Bedrohungen in den weltweiten Konfliktherden und werden bei terroristischen Aktivitäten verwendet. Der Schutz von Menschen und Material erfordert daher effektive Gegenmaßnahmen. Dazu gehört auch die Anforderung an Sicherheitskräfte oder militärisches Personal, unbekannte Substanzfunde mit geringem zeitlichem und logistischem Aufwand vor Ort als gefährdend oder unkritisch einzustufen. Um Explosivstoffe von nicht-explosiven Materialien zu unterscheiden, kann die bei Explosivstoffen initiierbare, stark exotherme Reaktion genutzt werden. Diese resultiert in Strahlungsemissionen sowie in lokaler Druck- und Temperaturerhöhung. Die Messung dieser Reaktionseffekte und die Anforderung an eine mobile, einfach zu bedienende und robuste Analytik werden durch ein System ermöglicht, das Proben im einstelligen mg-Bereich durch schnelles Erhitzen auf mikrostrukturierten Heizern zum chemischen Umsatz anregt. Die emittierte Strahlung wird mit Photodioden im Bereich des sichtbaren und nah-infraroten Lichts aufgenommen, ein Sensor registriert die Druckerhöhung in einer geschlossenen Versuchskammer. In einem zweiten Aufbau werden die gasförmigen Reaktionsprodukte über ein Sensorarray von vier kommerziellen Gassensoren geleitet und die Signalantworten der Halbleitergassensoren mittels Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die schnelle thermische Aktivierung für die untersuchten primären Explosivstoffe, Treibladungspulver, sowie Trinitrotoluol (TNT) reproduzierbar erfolgt. Nicht-Explosivstoffe werden dabei im untersuchten Umfang sicher als unkritisch erkannt. Die Auswertung der Gassensorsignale liefert eine Unterscheidung von Nitrat- und Peroxid-basierten Sprengstoffen sowie von nicht-explosiven Substanzen.
The proper use of protective hoods on panel saws should reliably prevent severe injuries from (hand) contact with the blade or material kickbacks. It also should minimize long-term lung damages from fine-particle pollution. To achieve both purposes the hood must be adjusted properly by the operator for each workpiece to fit its height. After a work process is finished, the hood must be lowered down completely to the bench. Unfortunately, in practice the protective hood is fixed at a high position for most of the work time and herein loses its safety features. A system for an automatic height adjustment of the hood would increase comfort and safety. If the system can distinguish between workpieces and skin reliably, it furthermore will reduce occupational hazards for panel saw users. A functional demonstrator of such a system has been designed and implemented to show the feasibility of this approach. A specific optical sensor system is used to observe a point on the extended cut axis in front of the blade. The sensor determines the surface material reliably and measures the distance to the workpiece surface simultaneously. If the distance changes because of a workpiece fed to the machine, the control unit will set the motor-adjusted hood to the correct height. If the sensor detects skin, the hood will not be moved. In addition a camera observes the area under the hood. If there are no workpieces or offcuts left under the hood, it will be lowered back to the default position.
Persons entering the working range of industrial robots are exposed to a high risk of collision with moving parts of the system, potentially causing severe injuries. Conventional systems, which restrict the access to this area, range from walls and fences to light barriers and other vision based protective devices (VBPD). None of these systems allow to distinguish between humans and workpieces in a safe and reliable manner. In this work, a new approach is investigated, which uses an active near-infrared (NIR) camera system with advanced capabilities of skin detection to distinguish humans from workpieces based on characteristic spectral signatures. This approach allows to implement more intelligent muting processes and at the same time increases the safety of persons working close to the robots. The conceptual integration of such a camera system into a VBPD and the enhancement of person detection methods through skin detection are described and evaluated in this paper. Based upon this work, next steps could be the development of multimodal sensor systems to safeguard working ranges of collaborating robots using the described camera system.
Durch Dotierung eines nematischen Flüssigkristalles mit einer chiralen Substanz wird eine helikal strukturierte Phase induziert, die in der Lage ist, einfallendes Licht wellenlängenselektiv zu reflektieren. Bei der Reaktion des Dotiermittels mit einem gasförmigen Analyten verändern sich die Ganghöhe dieser Struktur und damit die reflektierte Wellenlänge. Liegt diese im Bereich des sichtbaren Lichts, ist eine Farbänderung mit dem menschlichen Auge zu beobachten. Es ist dabei sinnvoll den Flüssigkristall z.B. in einem Polymer einzukapseln, um ihn vor mechanischen Einflüssen und Umwelteinflüssen zu schützen. Eine Möglichkeit zur Einkapselung ist das koaxiale Elektrospinnen. Vorteile sind unter anderem die Realisierung einer großen Oberfläche und einer sehr geringen Wanddicke der schützenden Schale, die die Diffusion von Gasen durch die Wand hindurch ermöglicht. Um die Funktionsfähigkeit eines solchen Sensors zu testen, wurde ein CO2-sensitiver Flüssigkristall verwendet. Dieser wurde in eine Schale aus Polyvinylpyrrolidon (PVP) versponnen und die Reaktion mit CO2 spektroskopisch analysiert.
A deployment of the Vehicle-to-Vehicle communication technology according to ETSI is in preparation in Europe. Currently, a Public Key Infrastructure policy for Intelligent Transport Systems in Europe is in discussion to enable V2V communication. This policy set aside two classes of keys and certificates for ITS vehicle stations: long term authentication keys and pseudonymous keys and certificates. We show that from our point of view the periodic sent Cooperative Awareness Messages with extensive data have technical limitations and together with the pseudonym concept cause privacy problems.
Design of an Active Multispectral SWIR Camera System for Skin Detection and Face Verification
(2016)
Biometric face recognition is becoming more frequently used in different application scenarios. However, spoofing attacks with facial disguises are still a serious problem for state of the art face recognition algorithms. This work proposes an approach to face verification based on spectral signatures of material surfaces in the short wave infrared (SWIR) range. They allow distinguishing authentic human skin reliably from other materials, independent of the skin type. We present the design of an active SWIR imaging system that acquires four-band multispectral image stacks in real-time. The system uses pulsed small band illumination, which allows for fast image acquisition and high spectral resolution and renders it widely independent of ambient light. After extracting the spectral signatures from the acquired images, detected faces can be verified or rejected by classifying the material as "skin" or "no-skin". The approach is extensively evaluated with respect to both acquisition and classification performance. In addition, we present a database containing RGB and multispectral SWIR face images, as well as spectrometer measurements of a variety of subjects, which is used to evaluate our approach and will be made available to the research community by the time this work is published.
The detection of human skin in images is a very desirable feature for applications such as biometric face recognition, which is becoming more frequently used for, e.g., automated border or access control. However, distinguishing real skin from other materials based on imagery captured in the visual spectrum alone and in spite of varying skin types and lighting conditions can be dicult and unreliable. Therefore, spoofing attacks with facial disguises or masks are still a serious problem for state of the art face recognition algorithms. This dissertation presents a novel approach for reliable skin detection based on spectral remission properties in the short-wave infrared (SWIR) spectrum and proposes a cross-modal method that enhances existing solutions for face verification to ensure the authenticity of a face even in the presence of partial disguises or masks. Furthermore, it presents a reference design and the necessary building blocks for an active multispectral camera system that implements this approach, as well as an in-depth evaluation. The system acquires four-band multispectral images within T = 50ms. Using a machine-learning-based classifier, it achieves unprecedented skin detection accuracy, even in the presence of skin-like materials used for spoofing attacks. Paired with a commercial face recognition software, the system successfully rejected all evaluated attempts to counterfeit a foreign face.
A deployment of the Vehicle-2-Vehicle communication technology according to ETSI is in preparation in Europe. Currently, a policy for a necessary Public Key Infrastructure to enrol cryptographic keys and certificates for vehicles and infrastructure component is in discussion to enable an interoperable Vehicle-2-Vehicle communication. Vehicle-2-Vehicle communication means that vehicles periodically send Cooperative Awareness Messages. These messages contain the current geographic position, driving direction, speed, acceleration, and the current time of a vehicle. To protect privacy (location privacy, “speed privacy”) of vehicles and drivers ETSI provides a specific pseudonym concept. We show that the Vehicle-2-Vehicle communication can be misused by an attacker to plot a trace of sequent Cooperative Awareness Messages and to link this trace to a specific vehicle. Such a trace is non-disputable due to the cryptographic signing of the messages. So, the periodically sending of Cooperative Awareness Messages causes privacy problems even if the pseudonym concept is applied.
Die Detektion von Explosivstoffen stellt ein zentrales Feld der zivilen Sicherheitsforschung dar. Eine besondere Herausforderung liegt hierbei in dem Nachweis verpackter Substanzen, wie es bei Unkonventionellen Spreng- und Brandvorrichtung (USBV) häufig der Fall ist. Derzeit eingesetzte Verfahren arbeiten meist mit bildgebenden Techniken, durch die sich ein Anfangsverdacht ergibt. Der tatsächliche chemische Inhalt der USBV lässt sich jedoch nicht exakt ermitteln. Eine genaue Beurteilung der Gefährdung durch solche Substanzen ist allerdings von großer Bedeutung, insbesondere wenn die Entschärfung des Objekts in bewohntem Gebiet stattfinden muss. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das sich als Verifikationsverfahren bei bestehendem Anfangsverdacht gezielt einsetzen lässt. Hierzu wird mittels Laserbohrtechnik zunächst die äußere Hülle des zu untersuchenden Gegenstandes durchdrungen. Anschließend finden eine lasergestützte Probenahme des Inhalts sowie die Detektion unter Verwendung geeigneter Analysemöglichkeiten statt. Der Bohr- und Probenahmefortschritt wird über verschiedene spektroskopische und sensorische Verfahren begleitend überwacht. Zukünftig soll das System abstandsfähig auf Entschärfungsrobotern eingesetzt werden.
Der Asiatische Laubholzbockkäfer (Anoplophora glabripennis, kurz: ALB) ist ein Bockkäfer, der 2001 seinen Weg nach Europa fand. Er ist als Quarantäneschaderreger eingestuft und muss in Europa bekämpft werden. Eine der Möglichkeiten zum Aufspüren befallener Bäume ist der Einsatz von Spürhunden. Die Einstufung des ALB als Quarantäneschädling bringt große Probleme bei der Verwendung von Trainingsmaterial mit sich. Da es sich zudem um biologisches Material handelt, das geruchchemisch Änderungen und Variationen unterworfen ist, und da die für den Hund relevanten Geruchsstoffe nicht bekannt sind, ist es häufig schwierig, geeignete und frische Geruchsträger als Trainingshilfsmittel zur Verfügung zu stellen.
In the context of the Franco-German research project Re(h)strain, this work focuses on a global system analysis integrating both safety and security analysis of international and/or urban railway stations. The Re(h)strain project focuses on terrorist attacks on high speed train systems and investigates prevention and mitigation measures to reduce the overall vulnerability and strengthen the system resilience. One main criterion regarding public transport issues is the number of passengers. For example, the railway station of Paris “Gare du Nord” deals with a bigger number of passengers than the biggest airport in the world (SNCF open Data 2014), the Atlanta airport, but in terms of passengers, it is only around the 23rd rank railway station in the world. Due to the enormous mass of people, this leads to the system approach of breaking out the station into several classes of zones, e.g. entrance, main hall, quays, trains, etc. All classes are analysed considering state-of-the-art parameters, like targets attractiveness, feasibility of attack, possible damage, possible mitigation and defences. Then, safety incidence of security defence is discussed in order to refine security requirement with regard to the considered zone. Finally, global requirements of security defence correlated to the corresponding class of zones are proposed.