3D-Fotogrammetrie: Fotos in 3D-Modelle verwandeln

Bei der 3D-Fotogrammetrie handelt es sich um den Prozess, bei dem ein physisches Objekt reproduziert wird, um ein präzises 3D-Modell zu schaffen. Er kann alles festhalten – von Menschen und historischen Artefakten bis hin zu Flugzeugen, Gebäuden und sogar noch grösseren Bauwerken.

„So wird ein Objekt konkret und immersiv, damit du es dir rund herum ansehen und dessen Struktur erkennen kannst“, sagt John Maurice, European Product Marketing Manager bei Canon Europe. „Das kannst du auch mit Computergrafiken machen, es ist jedoch nicht dasselbe, weil du niemals all die Nuancen erhältst, die du mit der Fotogrammmetrie festhältst.“

Die Anwendungsmöglichkeiten der digitalen Fotogrammmetrie und von 3D-Modellen sind unendlich. Die Technik wird als Lösung in den Bereichen Fertigung, Entwicklung, Design, Unterhaltung und Gesundheitswesen eingesetzt. „Ein 3D-Modell von jemandem zu erstellen, kann bei einer Diagnose ebenso wie bei der Überwachung der Behandlung helfen“, erklärt Maurice. „Wenn du in der Industrie arbeitest, wird durch das Erstellen eines 3D-Modells die teure Prototyperstellungsphase verkürzt.“

Bei der 3D-Fotogrammetrie handelt es sich um einen sehr speziellen Bereich, und der Prozess ist äusserst genau. „Du musst ganz viele Fotos vom Motiv machen, und normalerweise müssen die Bilder zu zwei Dritteln übereinstimmen, um die 3D-Karte zu erstellen“, sagt Maurice. „Wenn du die Bilder also mit einer einzelnen Kamera machst, musst du diese ganz leicht aber exakt bewegen, um diese Übereinstimmung zu erhalten.“

Wenn du nach Kameras für ein Rig für die 3D-Fotogrammetrie mit mehr als 100 Gehäusen suchst, ist es vorrangig, sich für preisgünstige Kameras zu entscheiden. „Einsteiger-DSLRs eignen sich gut für diese Art von Arbeit“, sagt Maurice. „Und kostengünstige Objektive ebenfalls. 50 mm Objektive sind beliebt, weil sie günstig und hochwertig sind.“

„Einer der Gründe, warum wir noch nicht auf Vollformat umgestiegen sind, ist, dass die Schärfentiefe bei allen APS-C Kameras grösser ist, und das ist bei der Datenverarbeitung wirklich entscheidend.“

Bei dem Ganzkörper-Rig nutzt Sample & Hold eine Kombination aus 100 mm, 85 mm und 50 mm Objektiven, wie dem Canon EF 85mm f/1.8 USM und dem Canon EF 50mm f/1.8 STM. Dabei wird die grössere Brennweite genutzt, um wichtige Bereiche wie Füsse und Hände aufzugreifen. Das Kopf-Rig besteht aus einer Kombination aus 40 mm und 50 mm Objektiven, wie dem Canon EF 40mm f/2.8 STM.

„Wir verwenden stets Festbrennweiten“, sagt Jackson, „zum Teil, weil wir nicht befürchten müssen, dass sich etwas verschiebt, besonders dann, wenn wir das Rig bewegen.“

„Einsteigerkameras wurden nicht für das entwickelt, was wir mit ihnen machen, deshalb kann es zu Abweichungen beim Timing der Verschlusszeiten kommen“, fährt er fort. „Um dies zu umgehen, verwenden wir zur Steuerung der Belichtung Blitze. Wir arbeiten in einem dunklen Raum und nutzen bei unseren Kameras eine Verschlusszeit von 1/3 oder 1/5 Sek., die Blitze werden zur Belichtung des Bildes alle gleichzeitig ausgelöst. Wir steuern die Kamera mit einer Smart Shooter Software, und synchronisieren alles mithilfe von Esper TriggerBoxes.“

Esper stellt Multi-Kamera- und 3D-Scan-Lösungen für Anbieter in der Videospiel- und Visual Effects-Branche bereit, ebenso wie für Werbung, wissenschaftliche Forschung, Bullet-Time Fotoboxen und mehr. Der Leiter des Unternehmens, Nick Foots, sagt, dass es bei der Einrichtung eines 3D-Fotogrammetriesystems am wichtigsten sei, über das Endergebnis nachzudenken.

„Das ist das Erste, was ich jemanden während eines Beratungsgesprächs frage: Was ist die Endverwendung? Welche Auflösung und welches Format? Und dann kannst du basierend darauf alles durchgehen“, erklärt Foots. „Wenn etwas ausschliesslich für E-Commerce im Internet in einer nicht besonders hohen Auflösung verwendet wird, dann ist es, wenn ich es so sagen darf, nicht notwendig, dass du 60 Kameras darauf richtest.“

„Wenn du ein 4K-Videospiel erstellst, kann es sein, dass du mehr als 160 Kameras benötigst. Kreierst du jedoch nur „Mini-Me“ 3D-Modelle von Menschen mit einem FDM-Drucker, benötigst du eigentlich nur 30 bis 50 Kameras. Es ist einfach unmöglich, dass ein 3D-Drucker diese Auflösung wiedergibt, wenn du mehr Kameras verwendest.“

„Wenn ein Objekt klein genug ist und sich nicht bewegt, kannst du das Modell sehr kostengünstig mit drei oder vier Kameras auf einem Bogen, einer kontrollierten Beleuchtung und einer Drehplatte, die du mit der Hand bewegst, erstellen“, fährt Foots fort. „Du kannst auch mit einer einzelnen Kamera herausragende Fotogrammmetrie-Scans machen. Du musst dir jedoch Gedanken machen, ob das für deine Anwendungen skalierbar ist, und wie es in den gesamten Workflow passt.“

Sample & Hold empfiehlt den Beginn mit nur einer Kamera. „Jeder kann die Fotogrammmetrie im Freien bei Tageslicht und mit einer einzigen Kamera testen“, sagt er. „Bei einem Motiv, das sich nicht verändert und sich nicht bewegt, wie einem Haus, benötigst du nicht mehrere Kameras. Du benötigst nur eine Kamera aus mehreren Positionen.

„Auf YouTube findest du zahlreiche Tutorials, die dir zeigen, wie es geht“, sagt Jackson abschliessend. „Und dann kannst du die Bilder etwas wie Meshroom, eine kostenlose, Open-Source-Software durchlaufen lassen, und 3D-Modelle erzeugen. So kannst du einige wirklich coole Dinge erstellen.“