Definition von Photogrammetrie
Die Photogrammetrie ist eine Technik, um die räumliche Lage oder 3-dimensionale Form eines Objektes mit Hilfe von Abtastungstechniken zu erfassen. Die Theorie dahinter ist schon über 100 Jahre alt. Erst vor etwa 10 Jahren, als die PCs so leistungsfähig wurden, um diese komplexen Berechnungen durchführen zu können, zog die Photogrammetrie in den Alltag eines 3D-Artists ein.
Die Basis der Photogrammetrie ist dabei denkbar einfach: Wenn Sie einen Punkt auf Ihrem Objekt aus mindestens 3 verschiedenen Perspektiven sauber erkennen können, dann können Sie diesen Punkt im 3-dimensionalen Raum eindeutig erfassen.
Und wenn sie tausende Punkte ihres Objektes erfassen können, entsteht eine sogenannte “Punktwolke” die später zum digitalen Abbild des Objektes wird. Die Photogrammetrie ist dabei auch die einzige Methode, bei der am Ende neben der Geometrie auch die Textur des Objektes erzeugt werden kann.
Für das Verfahren der Photogrammetrie müssen also grundsätzlich 2 Voraussetzungen erfüllt sein:
1. Ein Punkt eines Objektes muss mindestens aus 3 Perspektiven erfasst werden können.
2. Der Punkt muss eindeutig zuordenbar sein. Das bedeutet er muss markant, kontrastreich, von der Belichtung unabhängig und klein genug sein.
Voraussetzung 2 wäre z. B. bei einem gleichmäßig weißen Blatt Papier nicht der Fall. Denn hier lässt sich kaum ein „weißer“ Punkt von einem anderen unterscheiden. Auch bei reflektierenden oder spiegelnden Oberflächen wie dem Schuhleisten im Bild unten ist es weder für Mensch noch für 3D-Programm möglich, die Punkte eindeutig zu identifizieren.
Es gibt also Objekte, die eignen sich gut, andere weniger gut zur Erfassung mittels Photogrammetrie bzw. Berechnung eines 3D-Modells.
Dieser gleichförmige, glänzende Schuhleisten stellt Fotograf und Software vor größere Herausforderungen auf Grund Oberflächenbeschaffenheit, Reflexionen und fehlenden Kontrasten.
Diese kleine (bereits vollständig digitalisierte) Shiva-Statue links kann viel einfacher und ohne größere Vor- und Nachbearbeitung für ein Modell mittels Photogrammetrie verwendet werden.
Mit welchen einfachen Tricks Sie auch ungeeignete Objekte wie den glänzenen Schuhleisten links perfekt digitalisieren können, erfahren Sie in unserem Videotraining zu Grundlagen der Photogrammetrie.
Input, Verarbeitung und Output
Schritt 1: Erfassung des Objektes (Input)
Dies geschieht zum einen mit wellenemittierenden und wellenerfassenden Geräten, Laserscanning, Streifenlichtverfahren, Projektionsverfahren, Infrarotbildgebung oder Ultraschall. Dies ist jedoch meist mit sehr hohen Kosten und komplexen Aufbauten verbunden. Viele Photogrammetrie-Programme können aber auch 3d-Modelle aus einfachen Digitalfotos errechnen. Dies stellt eine schnelle und günstige Alternative dar und ist praktisch von jedermann umzusetzen.
Schritt 2: Verarbeitung
Nach dem Input bzw. der Erfassung des Objektes braucht es eine Software, die aus den Daten bzw. in unserem Beispiel Fotos ein 3D-Objekt berechnet. Dies ist der zweite Schritt beim 3D-Scanning. In unserem Videotraining verwenden wir dafür Agisoft Metashape, aber das kann natürlich mit jeder Photogrammetrie-Software erfolgen.
Die Verarbeitung der Rohdaten aus Schritt 1 sowie die Berechnung des 3D-Modells stellt den Kern der Photogrammetrie dar. Hier kommt es neben der Qualität der Daten natürlich auch auf die verwendete Software sowie die Einstellungen und Hilfsmittel im 3D-Programm an, wie z. B. die Verwendung von Masken.
Näheres zu den optimalen Einstellungen und der Anwendung von Masken erläutert Euch unser Metashape-Experte im Videotraining.
Schritt 3: Output bzw. Verwendung des 3D-Modells
Ein gutes 3D-Modell kann als Basis für unzählige weitere Anwendungen dienen:
- das Objekt nun in verschiedenen Größen skalieren und als 3D-Modell ausdrucken
- für die Gaming- oder Filmindustrie ein Objekt mit wenigen Polygonen erstellen
- das Objekt nutzen, um virtuelle Rundgänge oder Ausstellungen von Museen mit zu ermöglichen oder zu archivieren
- virtuelle, aber absolut korrekte Vermessungen des Objektes am Bildschirm durchführen
- uvm.
Fehlerquellen bei der Erfassung des Objektes mittels Fotoaufnahmen
Es gibt speziell beim Fotografieren der Objekte einige Fehlerquellen und Hürden, die die Weiterverarbeitung der Daten im Photogrammetrie-Programm erschweren oder die Qualität des Scans extrem mindern können. Hier führen wir die häufigsten Fehlerquellen auf:
1. Eine ungeeignete Kamera mit zu kleinem Sensor oder ungeeignete Objektive
2. Zu wenige Aufnahmen bzw. zu wenige Perspektiven
3. Die Umgebungsbedingungen und Lichtverhältnisse
4. Die Materialbeschaffenheit des Objektes:
a) sehr glatte, transparente oder glänzende Oberflächen
b) sehr filigrane Objekte wie Haare oder Fell
c) Objekte mit Löchern und Hohlräumen
Dies alles führt dazu, dass die Software die Objekte schlecht erkennen und berechnen kann und somit das 3D-Modell ungenau und fehlerhaft wird.
Während wir auf die Kamera, Bildanzahl und Umgebungsbedingungen weitgehend Einfluss nehmen können, sind Probleme bei der Materialbeschaffenheit dann schon sehr schwer bis teilweise unmöglich zu beheben. Welche Technik wir benutzen können, um am Ende doch noch ein gutes 3D- Objekt unter suboptimalen Bedingungen zu erzeugen, das erläutert unser Experte ausführlich im Photogrammetrie Grundlagentraining.
Photogrammetrie-Grundlagentraining mit Metashape
Seit etwa 7 Jahren haben wir uns weiter spezialisiert auf 3D-Scanning, insbesondere stehen dabei Softwarelösungen zur Photogrammetrie im näheren Fokus. Unser Geschäftsleiter Hans-Peter Kuhnert hat ein umfassendes, 2.5 stündiges Videotraining zu Photogrammetrie erstellt. Zwar wird im Training die Software Metashape verwendet, es handelt sich aber definitiv um ein vielseitiges Grundlagentraining, das Wissen völlig softwareunabhängig vermittelt.
Diesen gewaltigen Teil einer Stadtmauer hat unser Photogrammetrie-Experte extra für das Grundlagentraining Schritt für Schritt digitalisiert. Von den ersten Fotoaufnahmen per Freihand über Luftaufnahmen mit einer Drohne bis hin zu Nahaufnahmen für die Details der Stadtmauer und letztlich das Zusammenfügen dieser “Chunks” zum fertigen und perfekten 3D-Abbild der Stadtmauer – alles wird im Detail gezeigt!