Photo- & 3D-Scans
Photoscanning hat die 3D-Erfassung von klein- und mittelformatigen Objekte und von Oberflächen mittels digitaler Fotovorlagen revolutioniert. Mit Hilfe spezieller Photogrammetrie-Software erfolgt die Umwandlung digitaler Fotos und Filme in dreidimensionale Raumdaten, die schliesslich in ein Mesh, also ein 3D-Polygonmodell mit realistischer Oberflächentexturierung umgewandelt werden. Derartige Modelle können in GIS-Anwendungen, der Dokumentation und Rekonstruktion archäologischer oder architektonischer Objekte sowie für visuelle Effekte bzw. Flächen- und Volumenmessungen eingesetzt werden. Die Scan-Methode ist mobil und lässt sich bei geeigneten Beleuchtungsverhältnissen fast überall einsetzen. Ihre Stärke spielt diese Technologie vor allem in Kombination mit anderen 3D-Techniken (3D-Druck, VR/AR u.ä.) aus, für die sie bemasste und hochgenaue Rohdaten liefert.
Beim Photoscanning werden Oberflächenpunkte eines Objekts oder einer Fläche in Relation zum Betrachter und der Lage des Punktes auf anderen Referenzfotos berechnet (s. Abb. 1) und in ein Mesh, also eine 3D-Polygonoberfläche umgewandelt. Die Textur des Modells wird aus den einzelnen Referenzfotos übernommen und kann in nahezu unbegrenzter Auflösung generiert werden.
Einsatz in der Architektur-Branche
Während die Technik bislang vor allem in der Archäologie, im Game Design und bei der Dokumentation von Kleinobjekten zum Einsatz kommt, bietet sie auch für Architekturbüros flexible und effiziente Einsatzmöglichkeiten. Räumliche Kontexte lassen sich innerhalb weniger Minuten dreidimensional erfassen. Die Daten können dann z.B. als Grundlage für Vermessungen oder als Dokumentations- und Visualisierungshilfe dienen. Auch lassen sich etwa komplexe Dekor- oder Fassadenelemente zum Zweck der Reproduktion oder Restauration sowie zur Flächen- und Volumenberechnung zügig berechnen.
Im abgebildeten Beispiel dienten 50 Fotos eines Dekorelements einer Hausfassade als Datenbasis. Die Fotos verrechnet die Photogrammetrie-Software (Agisoft Metashape, Meshmaker u.a.) zu einer dichten Punktwolke (s. Abb.), die anschliessend in ein Polygonmesh umgewandelt und texturiert wird (s. Abb.). Dieses Rohmesh muss „bereinigt“, retopologisiert und anschliessend für das UV-Mapping aufbereitet werden, damit die ebenfalls aus den Fotos gewonnene Textur korrkt auf die dreidimensionale Fläche projeziert werden kann.
Aus dem „schweren“ Rohmodell mit teils mehreren Millionen Punkten/Polygonen wird im Zuge der Nachbearbeitung ein „leichtes“ Modell mit nur noch wenigen tausend Polygonen (s. Abb.). Da dieses reduzierte Modell die Hardware-Resourcen beim Rendern nicht mehr belastet, kann es z.B. in Visualisierungen, Animationen oder VR-Szenen eingesetzt werden.
In Kombination mit Drohnenaufnahmen erlaubt das Photoscanning die Visualisierung und Einmessung sowohl schwer zugänglicher Räume oder Oberflächen (etwa zur Aufmasserstellung einer komplexen Dachgeometrie) als auch grossflächiger Areale, deren photogrammetrische Einmessung sonst mit erheblichem zeitlichen und personellen Aufwand verbunden wäre.
Archäologie & Museen
Speziell im Bereich der archäologischen Forschung kommt Photogrammetrie verstärkt und sehr erfolgreich zum Einsatz. Archäologische Objekte und Befunde können dank dieser Methode nicht mehr nur zeichnerisch bzw. textlich dokumentiert, sondern in allen 3 Dimensionen dargestellt, analysiert, vermessen und archiviert werden. Ist-Zustände von archäologischen Kontexten und Befunden können so räumlich dargestellt und zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt ausgewertet werden. Die wissenschaftliche Datengewinnung wird hierdurch transparenter, zumal sich die 3D-Modelle etwa in digitalen Medien publizieren lassen.
Bei historischen Gebäuden oder frei stehenden Objekten (Statuen, Brunnen etc.) dienen Luftbilder dazu Oberflächendaten zu visualisieren und etwa Erhaltungszustände oder restaurierungsbedürftige Bereiche zu markieren, um notwendige Erhaltungsmassnahmen zielgerichtet planen und dokumentieren zu können.
Für Museen wiederum bietet Photoscanning die Möglichkeit die objektbezogene Forschung und die Arbeit mit empfindlichen bzw. schwer zugänglichen Werken deutlich zu optimieren. Online-Kataloge der Museumsbestände lassen sich etwa um 3D-Modelle ergänzen, die es dem Nutzer ermöglichen, Objekte anhand eigener Kriterien zu vermessen, zu analysieren und zu beschreiben anstatt nur auf die beschränkten Daten von Katalogen und Inventarbüchern zurückgreifen zu müssen. Auch die Herstellung von Repliken bzw. 3D-Modellen – etwa für Ausstellungen oder pädagogische Projekte – wird durch Photoscanning deutlich einfacher und schonender für die betreffenden Objekte.
Um aus digitalen Fotovorlagen ein den wissenschaftlichen Ansprüchen genügendes Modell zu erstellen, ist hier die Qualität der Fotovorlagen besonders wichtig. Daher wird das nachzumodellierende Objekt unter möglichst idealen Bedingungen in einem konstant ausgeleuchteten, mobilen Fotostudio mit kalibrierter Belichtung fotografiert. Die weiteren technischen Arbeitsschritte entsprechen dem oben beschriebenen Vorgehen.
Eine sorgfältige Kalibrierung der Fotos und die korrekte Skalierung des Modells sind für das spätere Arbeiten mit den 3D-Daten essentiell. Um sämtliche Details der Objektoberfläche zu erfassen und im Modell zu erhalten wird in mehreren Zwischenschritten zusätzlich zur aus den Fotos gewonnenen Farbtextur eine so genannte Displacement-Textur erstellt, die im finalen Rendering dafür sorgt, dass auch die feinsten Strukturen realistisch im Modell dargestellt werden (s. Abb. ).
Wie schon im Kontext der Architekturvisualisierungen beschrieben (s.o.), kann das reduzierte 3D-Modell nun in anderen 3D-Visualisierungen oder Animationen verwendet werden.
Fazit
Photogrammetrie und 3D-Scanning bietet eine Vielzahl kreativer aber auch wissenschaftlicher und technischer Möglichkeiten, die unseren Umgang mit Objekt- und Oberflächendaten grundlegend verändert haben. Gerne informiere ich Sie, wie diese Technologien sich im Rahmen Ihrer Projekte einbinden lassen.
