Erstellung eines 3D-Modells: Photogrammetrie und 3D-Scannen
Der Prozess der Erstellung eines 3D-Modells beginnt mit der Wahl des richtigen Werkzeugs. Diese Entscheidung hängt in erster Linie davon ab, wofür Sie das 3D-Modell benötigen – mit anderen Worten, wie Sie es zu nutzen gedenken. Zu den beliebtesten Werkzeugen gehören das 3D-Scannen und die Photogrammetrie. In diesem Artikel erfahren Sie, welches der beiden Werkzeuge Sie für ein bestimmtes Projekt wählen sollten und wann sie kombiniert werden können.
3D-Scanner
Zunächst werden wir uns mit der Funktionsweise des 3D-Scannens befassen und ein Profil der wichtigsten auf dem Markt erhältlichen 3D-Scanner erstellen. Dies wird später hilfreich sein, wenn wir diese Technologie mit der Photogrammetrie vergleichen.
3D-Scannen ist eine Technologie, die physische Objekte, genauer gesagt Informationen über ihre Form und oft auch Farbe, digital erfasst und abbildet. Sobald Sie ein digitales Abbild eines Objekts in Ihrem Computer haben, eröffnen sich Ihnen unzählige Möglichkeiten: Es kann inspiziert, vermessen, verändert, Simulationen oder Belastungstests unterzogen, geteilt, gemeinsam bearbeitet oder in AR/VR-Umgebungen importiert werden.
Schlüsselpunkt
3D-Scans werden zunehmend zur Inspektion, Vermessung und Digitalisierung von Objekten in den Bereichen Industrie, Medizin, Automobil, CGI, Luft- und Raumfahrt, Archäologie und noch vielen anderen eingesetzt.
Wie erhält man aber ein präzises digitales Abbild eines Objekts? Die knappe Antwort lautet: mit einem 3D-Scanner. Werkzeuge für 3D-Scanning haben sich in den letzten Jahrzehnten rasant verändert, wobei traditionelle, bewährte Technologien weiterentwickelt und neue von Grund auf neu entwickelt werden. Die derzeit am weitesten verbreiteten 3D-Scanner sind solche mit strukturiertem Licht und Laser-Triangulations-Scanner.
3D-Scanner mit strukturiertem Licht und Lasertriangulation
Die Funktionsweisen dieser Geräte sind sehr ähnlich: Der Scanner projiziert Licht auf die Oberfläche eines Objekts, und die Kamera des Scanners zeichnet auf, wie sich der projizierte Lichtstrahl verzerrt, wenn er von der Oberfläche reflektiert wird. Der Unterschied besteht darin, dass Scanner mit strukturiertem Licht weiße oder blaue Lichtstrahlen aussenden, die ein Gitter bilden, während Laser-Triangulations-Scanner einfache Linien aussenden.
Während des Scannens sammelt der 3D-Scanner Informationen über Millionen von Punkten auf der Oberfläche des Objekts. Die Software des Scanners analysiert die bereits erwähnten Verzerrungen und positioniert alle Punkte relativ zueinander, wodurch die Form des Objekts in der digitalen Umgebung rekonstruiert wird.
Sowohl bei der Triangulation mit strukturiertem Licht als auch bei der Laser-Triangulation wird der 3D-Punktdatensatz als Punktwolke bezeichnet, die in ein 3D-Polygonnetz umgewandelt werden kann. Je nach dem Programm, das zur Erstellung dieses Netzes verwendet wird, kann seine Topologie aus dreieckigen oder quadratischen Flächen bestehen, doch in jedem Fall bestehen die Modelle aus Millionen dieser miteinander verbundener Flächen. Die Konvertierung wird durchgeführt, um die weitere Arbeit mit dem digitalen Abbild des Objekts für Reverse Engineering, CAD- oder AR/VR-Anwendungen zu erleichtern.
Strukturlicht- und Laser-3D-Scantechnologien erweisen sich als besonders effektiv, wenn Sie ein kleines Objekt – von einigen Millimetern bis zu einigen Metern Größe – scannen müssen: Mit tragbaren 3D-Scannern erläuft dieser Prozess besonders schnell, und das endgültige 3D-Modell wird hochpräzise und außergewöhnlich originalgetreu.
3D-Scan mit Time-of-Flight-Technologie
Wenn die Größe des Objekts (entweder seine Höhe oder seine Länge) mehrere Dutzend Meter übersteigt, sollten Sie sich für einen 3D-Scanner entscheiden, der auf der Time-of-Flight-Technologie (TOF) basiert, auch impulsgestützte Laser-3D-Scantechnologie genannt. Solche Scanner können als Langstrecken-Scanner bezeichnet werden: Im Gegensatz zu Strukturlicht- und Laser-Triangulations-Scannern kann die Entfernung zwischen einem TOF-Scanner und dem Objekt von einigen Meter bis zu mehreren hundert oder sogar tausend Metern betragen.
Doch wie funktioniert diese Technologie? Der Scanner sendet Laserimpulse aus. Wenn sie von einer Oberfläche zurückgeworfen werden, werden sie vom Empfänger des Scanners aufgefangen, und der Scanner berechnet die Zeit (Sekundenbruchteile), die jeder Impuls braucht, um zurückzukehren. Durch das Sammeln und Aufzeichnen von Informationen über die Millionen von zurückgeworfenen Impulsen erstellt der Scanner ein Bild der Oberfläche. Die Genauigkeit variiert je nach der verwendeten Lösung und der zu digitalisierenden Fläche. Wenn Sie ein Gebäude mit einem stationären, auf einem Stativ montierten 3D-Scanner scannen, können Sie Scans mit einer Genauigkeit bis auf wenige Millimeter erwarten. Wenn Sie ein großes Gelände kartieren müssen und es von einem Flugzeug oder einer Drohne aus scannen, können die Toleranzen mehrere Zentimeter erreichen.
Vor- und Nachteile von 3D-Scannern
Wie Sie aus dem ersten Teil dieses Artikels schließen können, liefern strukturiertes Licht, Lasertriangulation und TOF-Scanner allesamt präzise digitale Repliken von relativ kleinen Objekten oder großen Oberflächenbereichen. Die Genauigkeit der räumlichen Daten, die von hochwertigen 3D- Scannern geliefert werden, macht diese Geräte zu unverzichtbaren Werkzeugen in Bereichen, in denen ein Genauigkeitsfehler zu irreversiblen Folgen oder sogar zu einem Scheitern führen kann. 3D-Scanner werden in den Bereichen Industriedesign und Ingenieurwesen eingesetzt, wo hochkarätige Fachleute sie für eine Vielzahl von Zwecken nutzen, etwa für die Entwicklung von Elektronik, die Sicherstellung des stabilen Betriebs von Rohrleitungen und die Überprüfung der Qualität von mechanischen Serienteilen.
Im Gesundheitswesen sind typische Anwendungsfelder von 3D-Scannern etwa die Entwicklung maßgeschneiderter Prothesen und Implantate, die perfekt passen und jahrelang halten, oder auch die Beurteilung von Ergebnissen plastischer Operationen, sowohl vor als auch nach dem Eingriff. In den Bereichen Kunst, Unterhaltung, Wissenschaft und in Museen helfen 3D-Scanner dabei, digitale Doppelgänger von Schauspielern zu erstellen, Millionen Jahre alte Fossilien an Ausgrabungsstätten und in Sammlungen zu digitalisieren und die Forschung in Bereichen wie Anatomie, Paläontologie und sogar der Weltraumforschung voranzutreiben. Nicht zuletzt wenden sich immer mehr forensische Anthropologen dem 3D-Scannen zu, da es die schnellste und genaueste Methode zur Dokumentation von Tatorten ist.
Neben diesen vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten zeichnen sich 3D-Scanner durch ihre Nutzerfreundlichkeit aus. Handscanner zum Beispiel sind leichte Geräte, mit denen man um ein Objekt herumgehen und jeden Teil der Oberfläche erfassen kann. Die fortschrittlichsten dieser 3D-Scanner bieten Komplettlösungen: Sie verfügen über einen eingebauten Touchscreen, so dass Sie den Scanvorgang in Echtzeit auf dem Display des Scanners verfolgen können, ohne dass ein angeschlossener Laptop oder Tablet erforderlich ist. Der Verzicht auf Laptop oder Tablet bedeutet auch, dass Sie sich frei um das Objekt herumbewegen können, ohne durch Kabel oder Drähte behindert zu werden.
Das Echtzeit-Feedback, das diese Bildschirme liefern, ist für die Benutzer ebenfalls von unschätzbarem Wert, da es ihnen hilft, schnell und einfach zu verstehen, ob sie wirklich jeden Bereich eines Objekts erfasst haben. Auf die Vor- und Nachteile der Photogrammetrie werden wir noch näher eingehen, doch sie hier noch einmal ein klarer Vorteil des 3D-Scannens mit integriertem Bildschirm erwähnt: Sie wissen sofort, welche Daten Sie gesammelt haben und welche noch fehlen.
Darüber hinaus erfassen 3D-Scanner, wie bereits erwähnt, die Form des Objekts, und einige von ihnen können auch seine Farbe oder Textur, wie man in der Welt des 3D-Scannens sagt, erfassen. Während die Genauigkeit der unbestreitbare Trumpf des 3D-Scannens ist, können die zu erhaltenden Ergebnisse durch die Lebendigkeit der Photogrammetrie noch verbessert werden.
Photogrammetrie
Die Photogrammetrie ist eine Technologie, die ein 3D-Bild liefert, indem sie mehrere Fotos eines Objekts kombiniert. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen professionellen 3D-Scantechnologien erfordert die Photogrammetrie keinen 3D-Scanner. Was Sie brauchen, um Fotos zu erzeugen, ist – in der Tat – eine Kamera. Es muss sich auch nicht um ein spezielles Gerät handeln, so dass sich auch Bilder eignen, die Sie mit einem Smartphone oder einer Drohne aufgenommen haben. 2D-Kameraaufnahmen werden von einer Photogrammetrie-Software verarbeitet, wobei verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, vor allem die Brennweite der Kamera, die Objektivverzerrung und -auflösung, die Position und der Winkel der Kamera bei der Aufnahme des Objekts sowie ein ausreichendes Sichtfeld der Kamera und eine Überlappung zwischen den Fotos benachbarter Bereiche.
Photogrammetrie-Software
Wenn wir kostenlose Apps ausschließen, die nicht immer zu qualitativ hochwertigen Ergebnissen führen und gleichzeitig nur begrenzten oder gar keinen Support sowie eine magere Auswahl an Verarbeitungs-/Bearbeitungswerkzeugen bieten, dann kommen wir auf zwei große Programme: Reality Capture und Metashape. Ersteres zeichnet sich durch einen flexibleren und intuitiveren Arbeitsablauf aus und bietet eine Reihe von Möglichkeiten, wenn Sie Originaldaten ändern müssen. Sie können Reality Capture kostenlos herunterladen und die Software ein 3D-Modell für Sie zusammenstellen lassen.
Sie werden dann sehen, ob das Modell für Ihre Bedürfnisse gut genug aussieht. Wenn ja, wird Ihnen angeboten, das 3D-Modell gegen eine Gebühr herunterzuladen. Darüber hinaus führt Reality Capture Berechnungen bis zu zehn Mal schneller durch als sein Hauptkonkurrent. Ein Vorteil von Metashape ist jedoch der unermüdliche Support und die große Nutzergemeinschaft, die Sie bei Bedarf um Rat und Hilfe bitten können. Sie erhalten zudem jede Menge Schulungsmaterial und Zugang zu einer beeindruckenden Galerie von 3D-Modellen. Viele Anwender sind der Meinung, dass Metashape im Vergleich zu Reality Capture eine höhere Genauigkeit gewährleistet.
Wenn Sie nach anderen Optionen suchen, können mit 3DF Zephyr und Meshroom die bereits starken Photogrammetrie-Funktionen verbessern. Colmap - eine kostenlose Lösung, die ursprünglich für die Forschung entwickelt wurde - bietet eine abgespeckte, budgetfreundliche Alternative.
Vor- und Nachteile der Photogrammetrie
Ein großer Vorteil der Photogrammetrie ist, dass die dafür verwendeten Kameras erschwinglich sind. Heutzutage verfügen Smartphones über 16-MP-Kameras, die mehr als ausreichend sind, um Bilder mit einer für die Photogrammetrie ausreichenden Farbauflösung aufzunehmen. Wie das 3D-Scannen ist auch die Photogrammetrie eine berührungslose Methode zur Digitalisierung eines Objekts. Photogrammetrie-Geräte, egal ob es sich um professionelle Kameras oder Smartphones handelt, sind leicht und tragbar und erfordern für ihre Verwendung keinerlei besondere Schulung. Im Gegensatz zum 3D-Scannen müssen Sie das richtige Werkzeug (die Kamera) nicht nach der Größe der zu scannenden Objekte auswählen. Eine Kamera kann sowohl für kleine als auch für große Objekte verwendet werden.
Je hochwertiger die Aufnahmen sind, desto besser ist natürlich auch die Qualität des endgültigen 3D-Modells, das aus den Bildern erstellt wird. Ein Schlüsselfaktor, der bei der Erstellung eines lückenlosen 3D-Modells eine wichtige Rolle spielt, ist die Frage, ob die von Ihnen gemachten Aufnahmen die gesamte Oberfläche des Objekts abdecken. Sie sollten sich darauf einstellen, dass Sie manuell Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Aufnahmen machen müssen, wenn Sie bessere Ergebnisse erzielen wollen. Vergleichen Sie dies einmal mit der umgehenden, automatischen 3D-Datenerfassung mit einen 3D-Scanner! Daraus ergibt sich eine weitere Einschränkung der Photogrammetrie: In den allermeisten Fällen ist sie für die Erstellung von 3D-Modellen von Menschen nicht geeignet, es sei denn, Ihr Modell kann viele Minuten oder sogar Stunden stillsitzen.
Ebenso ist die Photogrammetrie vor Ort viel schwieriger einzusetzen, vor allem wenn Sie dazu eine Kabine verwenden wollen. Wenn Sie zum Beispiel in einem abgelegenen Gebiet wie einem Feld scannen, wird es sehr schwierig sein, dort noch eine sperrige Kist aufzustellen. Wenn Sie Personen scannen, zu denen Sie erst hinfahren müssen, ist es auch viel einfacher, einen 3D-Scanner mitzunehmen, als eine komplizierte Multikamera-Konstellation.
Vielleicht möchten Sie auch, dass das Objekt gleichmäßig beleuchtet ist, wenn Sie es fotografieren. Denn andernfalls könnten Sie Tage damit verbringen, die Helligkeit zahlreicher Aufnahmen nachträglich zu korrigieren. Das ist besonders dann der Fall, wenn Sie ein Objekt an einem sonnigen Tag unter freiem Himmel fotografieren: Die sonnenbeschienene Seite erscheint heller als die Schattenseite.
Wählen Sie also für Ihr Fotoshooting idealerweise einen bewölkten Tag. Wenn Sie feststellen, dass einige Teile der Oberfläche bei der Bearbeitung nicht gut genug herauskommen, müssen Sie an den Ort zurückkehren, an dem die ursprünglichen Aufnahmen stattgefunden hat, und die Bedingungen dieser ersten Fotosession nachstellen, einschließlich der Beleuchtung. Mit etwas Glück gelingt es Ihnen, der bestehenden Auswahl neue Fotos hinzuzufügen. Möglicherweise müssen Sie aber das gesamte Objekt oder die Szene noch einmal komplett fotografieren.
Sie können einige der Einschränkungen der Photogrammetrie umgehen, indem Sie in eine künstliche Lichtquelle investieren und diese sowie Ihre Kamera mit Polarisationsfiltern ausstatten. Solche Kreuzpolarisationsaufbauten verringern den Anteil eines Objekts, der bei Fotoaufnahmen durch Reflexionen verdeckt wird, was detailliertere Modelle ermöglicht. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass man eine Polarisationszubehör kaufen muss, was die Aufnahmen teurer macht. Zudem ist auch dieses Verfahren nicht narrensicher, denn wenn die Polarisatoren nicht aus dem gleichen Material bestehen, kann es zu Farbverschiebungen kommen, die das Aussehen der Modelle verzerren.
Im Gegensatz zu 3D-Scans, die genaue lineare Messungen liefern, werden Maßstab und Proportionen des Objekts bei der Photogrammetrie mit großer Wahrscheinlich verzerrt. Das liegt daran, dass die Technologie von der Qualität des Eingangsbildes abhängt, und diese kann durch Probleme wie Beleuchtung, Auflösung und Bewegungsunschärfe beeinträchtigt werden. Da das endgültige Modell in abstrakten Einheiten zusammengesetzt wird, kann es auch nicht für Anwendungen verwendet werden, die eine hohe Genauigkeit erfordern, wie etwa Reverse Engineering oder Qualitätskontrolle.
Wie lässt sich das Beste aus den beiden Welten kombinieren?
In den meisten Fällen werden Sie sich wünschen, dass Ihr 3D-Modell so genau wie möglich ist und in naturgetreuen Farben gerendert wird. In diesem Fall können Sie 3D-Scans mit Fotos kombinieren.
Genau so wurde etwas bei der Erstellung des ersten 3D-Porträts eines Staatsoberhauptes, nämlich des damaligen US-Präsidenten Barack Obama, vorgegangen. Für dieses Projekt wurde ein Scanner mit strukturiertem Licht (Artec Eva) in Synergie mit Photogrammetrie verwendet. Wie Sie inzwischen wissen sollten, ist die Photogrammetrie eine schwierige Angelegenheit, wenn es darum geht, ein 3D-Modell von einer Person zu erstellen, vor allem, wenn es sich um einen Präsidenten handelt, der per definitionem immer einen engen Zeitplan einhalten muss. Die Lösung bestand darin, gleichzeitige Aufnahmen mit bis zu 80 Kameras zu machen, die auf einem speziellen Gerüst um den Präsidenten herum montiert waren. Auf diese Weise konnten alle Farben, Schattierungen und Nuancen in kürzester Zeit erfasst werden, und Artec Eva sorgte dafür, dass die Form des Kopfes mit äußerster Genauigkeit eingefangen wurde.
In einem anderen Fall wurden kombinierte Datensätze für die 3D-Modellierung eines ganzen Autos verwendet. Bei diesem Projekt wurde die Geometrie des Fahrzeugs (sowohl die Karosserie als auch die Innenausstattung) mit dem vielseitigen Artec Leo erfasst. Für Industriedesigner und Ingenieure würden genaue Daten über die Geometrie vollkommen ausreichen. In Branchen wie der Entwicklung von Videospielen spielen jedoch lebendige Farben oft eine noch größere Rolle als die Genauigkeit des aerodynamischen Profils des Fahrzeugs, so dass ein Spieleentwickler das 3D-Polygonnetzmodell mit farbigen Kameraaufnahmen überlagern möchte. Auf diese Weise sieht das Auto bei der Integration in ein Videospiel völlig naturgetreu aus, was für ein weitaus besseres Nutzererlebnis sorgt.
Auf der Softwareseite ist erwähnenswert, dass es mit Artec Studio jetzt einfacher als je zuvor ist, 3D-Scannen und Photogrammetrie zu kombinieren. Neben den Funktionen zur Erfassung und Verarbeitung von Scandaten verfügt das Programm über einen Algorithmus zur Fotoregistrierung, mit dem Benutzer Texturen aus hochauflösenden Fotos auf Modelle anwenden können. In vielen Fällen hilft dies, die Farbklarheit zu verbessern und die Scans realistischer erscheinen zu lassen.
In einem solchen Fall wurden die Funktionen für 3D-Scans und Photogrammetrie von Artec Studio eingesetzt, um einen Stuhl mit einem komplizierten, vom Dschungel inspirierten Muster zu digitalisieren. Fotos wurden mit Scandaten aus Artec Leo kombiniert, um Texturdateien zu erstellen, die wiederum mit dem Texturierungsalgorithmus des Programms auf ein 3D-Polygonnetz aufgetragen wurden. Neben diesem klaren, farbenfrohen Modell eines Stuhls wurde die Funktion auch verwendet, um 140 hochauflösende Bilder eines Sportschuhs der Marke Nike mit hochauflösenden 3D-Scandaten, die mit Artec Space Spider erfasst worden waren, zu umhüllen.
Das Ergebnis des Prozesses, der etwas mehr als eine halbe Stunde in Anspruch nahm, war ein unglaublich naturgetreuer Scan des Basketballschuhs der Serie Nike Kyrie 7. Dieses Modell des berühmten Schuhs beinhaltet eine stark strukturierte Nachbildung der 360-Grad-Traktionssohle von Nike, die gescannt worden war, indem der Schuh auf den Kopf gestellt wurde, um Faltenbildung zu vermeiden. In einem ähnlichen Projekt setzte die Sportmarke ASICS Fototexturierung ein, um ultrarealistische Schuhmodelle für die Qualitätsprüfung und innovative animierte Marketinginhalte zu erstellen. Jedes dieser Projekte zeigt, welch hohe Detailgenauigkeit durch die Kombination von Artec Hardware und Software erreicht werden kann.
Fazit
Die Photogrammmetrie ist bei Videospielentwicklern sehr beliebt, wobei sie besonders deren Fähigkeit, beeindruckende Bilder zu erstellen, zu schätzen wissen. Allerdings gewinnt das 3D-Scannen auch in diesem Bereich an Bedeutung, da es eine viel schnellere und vielseitigere Möglichkeit bietet, reale Objekte und Menschen zu digitalisieren. Handgeführte 3D-Scanner werden auch in Bereichen wie dem Gesundheitswesen zunehmend beliebt, da hier die schnelle und genaue Vermessung der Extremitäten von Patienten fortschreitend die Herstellung maßgeschneiderter, immer besser passender Orthesen ermöglicht.
Wenn also Präzision für Sie oberste Priorität hat, Sie Objekte schnell und in hoher Auflösung erfassen möchten und planen, Ihre 3D-Modelle in CAD-Anwendungen weiterzuverwenden, dann sollten Sie sich für einen professionellen 3D-Scanner und eine passende 3D-Scansoftware entscheiden.
Wenn Sie aber über ein großzügiges Budget verfügen und es nicht eilig haben, wird die Kombination aus 3D-Scannen und Photogrammetrie für die Umwandlung realer Objekte in ihre digitalen Abbilder oft ideale Ergebnisse liefern. Ihr Modell wird sowohl eine hochpräzise Geometrie als auch eine realistische, detaillierte Textur mit lebendigen Farben erhalten.
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