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Photogrammetrie


Die Photogrammetrie bezeichnet eine Vielzahl von Verfahren, mit denen es möglich ist, nur mit Hilfe von Fotografien oder Messbildern 3D-Objekte zu erstellen. Dadurch wird die räumliche Situation und Geometrie bestimmt.

Im professionellen Bereich werden dafür spezielle Kameras oder Laserscanner verwendet, allerdings ist es auch im nicht-professionellen Bereich mit einer Smartphone-Kamera oder Digitalkamera möglich.


Funktionsweise

Die Photogrammetrie zählt zu den passiven Vermessungsverfahren, da das Objekt durch mehrere Fotografien berührungslos rekonstruiert wird. Hierbei werden verschiedene Winkel zum Objekt genutzt oder es werden gleichzeitig mehrere Kameras ausgelöst. Bei den meisten Rekonstruktionen wird natürliches Licht verwendet, künstliches Licht wird dagegen häufig bei kleineren Objekten eingesetzt. Es werden markante Punkte (sogenannte Tracking-Punkte) aus den Fotografien gesucht und können durch verschiedene Perspektiven einem dreidimensionalen Raum zugeordnet werden. Da mehrere Bilder genutzt werden, entsteht dadurch eine berechnete Punktewolke - das spätere 3D-Objekt. Durch diese Punktewolke kann danach die Oberfläche als Gitterstruktur bestimmt werden. Abschließend wird aus der Gitterstruktur eine Textur erzeugt, die dem Originalen, je nach Qualität, sehr nah steht. Die Berechnung erfolgt genauer, je mehr Bilder, bessere Qualität und mehr Tracking-Punkte vorhanden sind. Die Bildverarbeitung erfolgt heutzutage fast ausschließlich durch Software-Verfahren, da die handwerklichen Verfahren sehr langsam und fehleranfällig sind, weil die Objektpunkte einzeln bestimmt werden müssen. Bei der digitalen Bildverarbeitung kommen Methoden der Mustererkennung zum Gebrauch.


Quelle: www.webalice.it/littleball/immagini/print%2002.jpg


Grundmethoden der Photogrammetrie

Die Äußere Orientierung dient zur räumlich eindeutigen Rekonstruktion des Modells. Die Voraussetzung dafür ist, dass sichtbare Punkte der Örtlichkeiten (also der Umgebung) vorhanden sind. In dieser Örtlichkeit wird die Lage und Position der Kamera bestimmt.

Für die Innere Orientierung wird der Bildmittelpunkt errechnet, dieser Bildmittelpunkt sollte im besten Fall in der Mitte des Objektes liegen. Hierbei wird innerhalb eines Bildes gerechnet, sodass Tracking-Punkte bestimmt werden können. Die Lage des Objektes zur Kamera wird definiert.

Die Relative Orientierung dient zur Identifikation der Raumlage zweier Bilder untereinander. Die beiden Bilder haben gemeinsame Tracking-Punkte, wodurch sich durch eine Parametergleichung Punkte in einem Koordinatensystem ergeben.

Die Absolute Orientierung stellt die vorhandenen Tracking-Punkte in ein Koordinatensystem über, die sich an der äußerlichen Orientierung anpassen.

Quelle: 3dscanexpert.com/wp-content/uploads/photoscan-dense-cloud-1024x597.x92699.png


Nahbereichsphotogrammetrie


Die Nahbereichsphotogrammetrie hat keine Einschränkungen bei der Ordnung der Aufnahmen, sodass problemlos ungeordnete Bilder verarbeitet werden können. Die moderne Nutzung hierfür kommt häufig im Bereich der industriellen Messtechnik, Medizintechnik, Biotechnik, bei der Unfallaufnahme und bei der Vermessung von Gegenständen (z.B. Fahrzeugteile, Ersatzteile) vor. Diese Daten dienen ebenso zur Dokumentation und als Grundlage von Umbauten oder denkmalgeschützten Baumaßnahmen. Hierbei werden die zu ersetzenden Objekte bestimmt und der moderne 3D-Druck ermöglicht eine passgenaue Ersetzung von spröden Werkstoffen. Die Nahbereichsphotogrammetrie ermöglicht auch ein Video mit hoher Qualität zu nutzen, dazu muss allerdings eine Bilderserie aus dem Video erstellt werden.

Quelle: cdn.80.lv/80.lv/uploads/2015/08/Elliot-Artec-01.jpg


Luftbildphotogrammetrie


Hat die gleichen Prinzipien der Nahbereichsphotogrammetrie. Unterschied dazu ist allerdings, dass Bilder in Folge vorhanden sind, da sie über Flugzeuge oder Drohnen aufgenommen werden. Diese Bilder werden ebenso orientiert, dienen allerdings häufig nur zur Erstellung topografischer Karten oder zur Planung bestimmter Landnutzungen, wie Abwasser- und Trinkwasserplanung.

Quelle: www.questuav.com/wp-content/uploads/2016/11/imagesupport-1.jpg


Vorteile


Die größten Vorteile der Photogrammetrie sind die schnelle, präzise und detailgetreue Erstellung von Objekten. Die Textur wird realitätsnah wiedergeben und es ist eine spätere Bearbeitung möglich, sodass eventuell beschädigte Gegenstände bearbeitet werden können. Zugleich können auch bewegliche Objekte (z.B. Tiere, Autos) gescannt werden, dazu müssen allerdings mehrere Kameras gleichzeitig ausgelöst werden. Es erfolgt eine 3D-Rekonstruktion von Objekten, die auch im Amateurbereich mit Digitalkameras möglich ist. Für sehr kleine Objekte empfiehlt sich eine „ungünstige“ Unterlage (z.B. Zeitung), damit viel Tracking-Punkte erkannt werden können.


Nachteile


Der größte Nachteil dieser Verfahren ist, dass markante Tracking-Punkte erkennbar sein müssen. Dies ist beispielsweise bei transparenten, glänzenden oder spiegelnden Objekten nicht der Fall. Ebenso müssen zwangsweise gute Lichtverhältnisse vorhanden sein. Eine höchste Qualität der 3D-Modelle wird oftmals nur durch eine höhere Pixelzahl erreicht, die wiederum mit teurem Equipment verbunden ist. Zudem sollten bewegliche Punkte im Hintergrund (z.B. Tiere, Fußgängerzone) vermieden werden, da ansonsten falsche Tracking-Punkte berechnet werden. In der Gesamtheit braucht die Software viele brauchbare Bilder (je nach Software zwischen 20-150). Zusätzlich wird je nach Software ein Computer mit großem Arbeitsspeicher benötigt, da die Berechnungen viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Zusätzlich wird nur die Oberflächenstruktur erfasst, sodass das Innere nicht berechnet wird.


Anwendungsgebiete für Holzingenieure


Da Holzingenieure nicht nur mit dem Werkstoff Holz arbeiten, sondern mit Konstruktionen aus verschiedenen Werkstoffen beauftragt werden, weitet sich das Anwendungsgebiet aus. Durch die Bereitstellung von Daten für Ersatzteile (z.B. Autoindustrie → Sintern) können diese entsprechend ausgelesen und verarbeitet werden, sodass hierdurch keine langwierige Suche nach passenden Maschinenteilen erforderlich wird, stattdessen wird ein virtuelles Lager geschaffen. Gleichermaßen können Holzingenieure Ersatz für spröde Holzteile in der Restauration erstellen oder sogar von Ermüdungserscheinungen betroffenen Konstruktionen im Holzbau ersetzen. Hierdurch wird der Punkt einer Vorfertigung von speziellen Geometrien verdeutlicht, die besonders beim Bauen im Bestand erforderlich sind. Ein weiteres Anwendungsgebiet wäre der Nachbau von bereits bestehenden Gebäuden/Objekten im kleineren Maßstab, die auf einen speziellen Kundenwunsch hin erfüllt werden sollen (z.B. Miniaturdruck von berühmten Gebäuden, Statuen,...)


mögliche Software (Stand: November 2017)

  • Agisoft PhotoScan (professionelle Version 3.500€, standardisierte Version 170€, ebenso als Demo-Version verfügbar,allerdings lassen sich die Berechnungen nicht speichern und bearbeiten)

Video-Tutorial: https://www.youtube.com/watch?v=zb780hZMOdU

  • Autodesk: 123D Catch (kostenlos, nur 70 Bilder möglich, diese werden auf die Server von Autodesk übertragen und dort bearbeitet)
  • VisualSFM (kostenlos)
  • ArcheOS (kostenlos)


Durchführung einer Photogrammetrie an einem Beispiel

Die folgende Bilder wurden durch Fabian Terpelle aufgenommen.
benutzte Software: Agisoft PhotoScan (als Demo-Version)
Modell: Maisto; 2002 FXDWG³ CVO Custom (Harley-Davidson MotorCycles)
Ausgangsmaterial: 78 Fotos (eigenständig fotografiert per Smartphone-Kamera)

Das Ausgangsmodell als Fotografie

Schritt 1

Zuerst werden alle geschossenen Bilder in einem Ordner (Chunk) hochgeladen und anschließend ausgerichtet.


Schritt 2

Es wird automatisch eine Punktewolke errechnet. Schon jetzt sind die Umrisse des Modells erkennbar, sowie die Ausrichtung der Kameras (optional anzeigbar).



Schritt 3

Nun wird der Bereich festgelegt, der durch eine dichte Punktewolke berechnet werden soll. Es empfiehlt sich, diesen Bereich sehr klein und auf das Modell beschränkt zu bestimmen, da die Berechnung sehr viel Zeit in Anspruch nehmen kann(bei diesem Beispiel etwa 6 Stunden für den angezeigten Bereich).


Schritt 4.

Als nächster Schritt kann ein Mesh (also ein farbiges 3D-Modell) und eine Textur des Modells erzeugt werden.

Hier werden die Flächen dargestellt. Man erkennt deutlich den Unterschied zwischen den berechnetet Punkten und den Punkten, die nicht erkannt wurden (aufgrund von glänzenden oder spiegelnden Flächen). Die Vorteile und Nachteile werden hierbei besonders deutlich. Teilweise wurden einzelne Flächen zusammengezogen, die beim Modell nicht verbunden sind, so zum Beispiel die Felgen oder der Auspuff.

Abschließend wird hier nochmal der Unterschied einer Verknüpfungspunktewolke (Schritt 1) und einer dichten Punktewolke sehr deutlich (Schritt 3).

Zusammenfassend besteht dieses Modell nun aus 53.679 Verknüpfungspunkten, wodurch in etwa 2,8 Millionen Punkte errechnet wurden, die die dichte Punktewolke ergeben. Das Modell, welches als Textur anzeigt werden kann, besteht aus 27.590 einzelnen Flächen. Um dieses Modell weiter bearbeiten zu können, müsste man es abspeichern, dieser Schritt ist allerdings in der Demo-Version nicht verfügbar.

Erstellt von Fabian Terpelle

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