Technische Hinweise zum Verfahren

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1 Technische Hinweise zum Verfahren Mit aspect 3D ist es möglich auf einfache Art farbige 3D-Punktwolken aus digitalen Bildsequenzen zu erstellen. Sie benötigen hierzu lediglich eine digitale Kamera und einen leistungsstarken Computer. Der folgende Text gibt Ihnen wichtige technische Hinweise zum Verfahren. Vorbetrachtung Die Punktwolkenerstellung in aspect 3D beruht auf einem photogrammetrischen Ansatz - der Verrechnung von sich weitreichend überlappenden digitalen Bildsequenzen. Die Bildverrechnung läuft in 3 großen Phasen ab: Merkmalserkennung (feature recognition) und Merkmalsabgleichung (feature matching) Rekonstruktion der Kamerapositionen (aufstellen der Kameras im 3D- Raum) Punktwolkengenerierung Bei der Merkmalserkennung wird zunächst jedes Bild einzeln nach Merkmalen hin untersucht. Merkmale sind sichtbare Micro- und Macro-Oberflächenstrukturen des dokumentierten Objekts. Die Anzahl der erkennbaren Merkmale hängt also im Wesentlichen von der Oberflächenbeschaffenheit des Objekts und der Qualität der fotografischen Wiedergabe dieser Strukturen ab. Im Anschluß an die Merkmalserkennung in den Einzelbildern werden über einen Ähnlichkeitsvergleich die Merkmale in allen Bildern der Bildsequenz verglichen. Sobald ein und das selbe Merkmal in mindestens 3 Bilder erkannt wird und es dem Ähnlichkeitsvergleich stand hält, wird es zum Basismerkmal für weitere Berechnungen. Hieran schließt sich die Rekonstruktion der Kamerapositionen im Raum an. Die Kamerapositionen sind geometrisch zueinander korrekt besitzen jedoch keinen Bezug zu einer geographisch korrekten Koordinate. Das ist auch der Grund dafür, dass die in aspect 3D erzeugten Punktwolken weder einen Bezug zu der realen Größen des Objekts noch zu dessen geographischen Verortung besitzen. In der letzten Phase (Punktwolkenberechnung) werden aus den rekonstruierten Kamerapositionen und den Bildinformationen schließlich die 3D-Punkte im Raum erzeugt. Auch hier spielen die Basismerkmale wieder eine wichtige Rolle. Sie sind die Keimzellen der 3D-Punkte, d.h. dass um diese Merkmale herum die Punkte berechnet werden. Ist die Dichte der Basismerkmale hoch, wird auch eine dichte Punktwolke entstehen. Je geringer die Dichte der Basismerkmale ist, desto weniger dicht wird auch die 3D-Punktwolke ausfallen. In den Randbereichen als auch in Bereichen mit großen Abständen zwischen den einzelnen Basismerkmalen kommt es zu einer wesentlichen Ausdünnung der Punktwolke bis hin zur Lochbildung. Die Farbe der Punkte generiert sich aus dem RGB-Werten der Bilddateien. 1

2 Die Qualität der erzeugten 3D-Punktwolke hängt also im hauptsächlich von diesen Faktoren ab: Eignung des dokumentierten Objekts Schlüssigkeit der digitalen Bildsequenz (Überlappung und Anzahl der Bilder) Qualität der fotografischen Aufnahme (Detailauflösung, Belichtung, Farbwiedergabe, Schärfentiefe) Ablauf der Erzeugung von Punktewolken aus digitalen Bildsequenz 1. Zu dokumentierendes Objekte vorbereiten 2. Hinweise zur Digitalkamera und zu den Objektiven 3. Erstellung von digitalen Bildern nach Fotografieranweisung (FA) 4. Projektmanagement 5. Hinweise zur Computerkonfiguration 6. aspect 3D 1. Zu dokumentierendes Objekt vorbereiten Stellen Sie sicher, dass Sie alle zu dokumentierenden Objektteile auch sehen können (ggf. Fahrzeuge vor Fassaden entfernen, Archäologische Objekte müssen geputzt sein etc.). Grundsätzlich wird dazu geraten, das zu dokumentierende Objekt eingehend zu begutachten und darauf basierend eine Strategie der fotografischen Aufnahme zu entwickeln. Besonders wichtig ist dies, bei Objekten, die eine gestaffelte Oberfläche (Vor- und Rücksprünge) besitzen. Dies kann beispielsweise eine Fassade sein, aus der ein Erker herausragt. Hier ist darauf zu achten, dass beispielsweise auch die Seitenflächen des Erkers mit mehreren fotografischen Aufnahmen dokumentiert sein müssen, um eine flächendeckende Punktewolke vom Objekt zu erhalten. Ungeeignete oder eingeschränkt dokumentierbare Objekte: - Objekte mit spiegelnden Oberflächen (Spiegelfassaden, poliertes Metall, spiegelnde Lackierungen)Objekte, die einen sehr hohen Helligkeitskontrast aufweisen - Objekte mit großflächigen homogenen Bereichen (einfarbig gestrichene Wände etc.) - Objekte mit Hinter- und Unterschneidungen, die nicht fotografisch erfasst werden können - Objekte, die ein durch Wind bewegtes Schattenspiel aufweisen 2

3 Bitte bedenken Sie, dass die Punktewolken, die Sie mit aspect 3D erzeugen können zunächst weder skaliert noch georeferenziert sind. Um eine nachträgliche Skalierung unter aspect 3D zu realisieren müssen Sie an Ihrem Objekt eine Strecke messen oder eine ausreichende Anzahl von Passmarken anbringen. Sie können auch einen Maßstab bekannter Länge an Ihrem Objekt anbringen und mitfotografieren. Idealerweise realisieren Sie die Vermessung der Passmarken mit einem Tachymeter. In einem übergeordneten System (Gauß-Krüger, etc.) eingemessene Passmarken ermöglichen es Ihnen zusätzlich die Punktewolke mittels einer Helmert- Transformation geografisch zu referenzieren. Wählen Sie bitte Form, Farbe und Größe der Passmarken so, dass Sie sie auch gut in der Punktewolke wiedererkennen können. Besonders eignen sich farbige (rot, grün, blau), runde oder quadratische (Durchmesser zw cm, abhängig von der Objektgröße) Passmarken. Nicht geeignet sind reflektierende Passmarken. 2. Hinweise zur Kamera und zu den Objektiven In dieser Bibliothek können individuelle Kameramodelle hinterlegt werden. Zunächst muss festgehalten werden, dass man theoretisch jede Digitalkamera dazu benutzen kann Bildsequenzen für die Punktwolkengenerierung herzustellen. Die Kamera muss EXIF-Daten erzeugen und die Sensorgröße muss bekannt sein, da man die Sensorbreite (in mm) angeben muss. Da wir aber die Kamera als Messsystem nutzen, ist es von Vorteil eine hochwertige Digitalkamera und vor allem hochwertige (lichtstarke, mit wenigen Linsenfehlern behaftete) Objektive zu verwenden. Von Vorteil sind Kameras, die einen großen Bildsensor besitzen, da diese Sensoren weniger zum Rauschen neigen. Deshalb gilt: Je höher die Auflösung des Sensors und die Abbildungseigenschaften des Objektivs, desto mehr Strukturen können im Digitalbild abgebildet werden und desto differenzierter können Merkmale in den einzelnen Bildern erkannt werden. Die Qualität der fotografischen Aufnahme der Bildsequenzen steht also im direkten Zusammenhang mit der Qualität der aus diesen Daten berechenbaren Punktewolke. 3

4 Die gängigsten Kameras werden von unserem System automatisch erkannt. Die Kameradaten (Kameramodell und Breite des Sensors (in mm)) sind in einer Sensor- Bibliothek hinterlegt. Sollte unser System Ihre Kamera nicht in der Bibliothek vorhalten, so können Sie diese Daten dort einfach hinterlegen. 3. Erstellung von digitalen Bildern nach Fotografieranweisung (FA) Grundsätzlich müssen die von Ihnen erstellten Digitalbilder bestimmte Bedingungen erfüllen: - Die Aufnahmen müssen richtig belichtet sein. - Die Aufnahmen müssen einen hohen Schärfegrad besitzen. - Die Aufnahmen sollten einen hohen Schärfentiefebereich aufweisen, dieser wird über die Blendenöffnung gesteuert. Je kleiner die Blendenöffnung (große Blendenzahl) desto größer der Schärfentiefebereich. Vorteilhaft ist es hier die Blende vorzuwählen und die Kamera die entsprechende Belichtungszeit errechnen zu lassen (Hinweis: notfalls Stativ benutzen). - Die Aufnahmen müssen sich mindestens zu 80 % überlappen und aus verschiedenen Blickwinkeln heraus aufgenommen sein. - Blitzaufnahmen vermeiden, sie können in der Regel nicht zur Berechnung benutzt werden. - Über die Auflösung Ihrer Fotos können Sie die Detailauflösung Ihres Modells steuern. Je höher die Auflösung ihrer Bilder desto größer die Detailauflösung Ihres Modells. - ISO-Wert der Kamera möglichst niedrig halten um Rauschen zu verhindern. Korrekten Weißabgleich verwenden, damit korrekte Farben erzeugt werden. Verwenden Sie möglichst qualitativ hochwertige, lichtstarke Objektive. Verwenden Sie möglichst Festbrennweiten und regeln Sie den Ausschnitt indem Sie sich beim Fotografieren zum Objekt hin oder vom Objekt weg bewegen. - Verwenden Sie keine extremen Weitwinkelobjektive (Grenzwert liegt bei 20 mm Brennweite). - Nehmen Sie nie zwei oder mehrere Bilder von einem identischen Standpunkt aus auf. Faustregel: Je mehr digitale Bilder Sie erstellen und zur Berechnung benutzen, desto mehr Features können erkannt und somit Punkte erzeugt werden. Fotografieranweisung (FA) Der folgende Text soll Ihnen eine Idee geben, wie Sie ein Objekt möglichst sinnvoll (im Hinblick auf die Generierung von Punktewolken) fotografisch aufnehmen. Die fotografische Aufnahme teilt sich zunächst in zwei große Bereiche: 4

5 1. Erstellung einer Übersichtssequenz 2. Erstellung einer oder mehrerer Detailsequenz(en) Jedes Bild einer Sequenz muß von einem leicht veränderten Standpunkt aus erstellt werden. In der Übersichtssequenz werden von einem entfernten Standpunkt aus zunächst eine Reihe sich überlappender digitaler Bilder erstellt. Anschließend kann (wenn dies gewünscht wird) ausgehend von markanten Strukturen der Übersichtssequenz eine oder mehrer Detailsequenz fotografiert werden. Bei Objekten, die umrundet werden können, empfiehlt es sich ein oder mehrere konzentrische Bildsequenzen um das Objekt herum zu fotografieren. Kleinere Objekte können hierzu auch auf einen Drehteller gestellt werden, die Kamera sollte dann auf einem Stativ fixiert sein. Nun kann der Drehteller pro Aufnahme wenige Grad gedreht werden. Jedes Objekt bedarf einer individuellen Strategie zur Aufnahme der digitalen Bilder. Hier werden mit der Zeit auch Erfahrungswerte eine große Rolle spielen. In vielen Fällen wird man um Tests nicht herumkommen. Konzentrische Sequenz, Dokumentation eines Kleinobjekts Beispiel 1: Fotografische Dokumentation eines Kleinobjekts Bei der fotografischen Dokumentation von Kleinobjekten werden zunächst konzentrische Bildsequenzen erstellt. Es empfiehlt sich mehrere konzentrische Bildsequenzen zu erstellen. Auch sollten einige Aufnahmen von oben (ggf. von unten) auf das Objekt (in einem spitzen Winkel) aufgenommen werden. Die Skalierung des Objekts kann später über eine gemessenen Strecke realisiert werden. 5

6 Das Objekt kann auch auf einem Drehteller stehend dokumentiert werden, die Kamera sollte dann auf einem Stativ stehen. Dokumentation eines geritzten Knochenfragments Abbildung: Screenshot von aspect 3D 2012: Punktewolke eines Kleinobjekts (Maße ca. 140x25 mm) und positionierte Kameras im Raum (Zwei Konzentrische Sequenzen) Projektdaten: Kamera: Nikon D5100 Anzahl der Aufnahmen: 68 Brennweite: 40mm Belichtungszeit: 1/2 sec. Blende: F14 Bildgröße (je Bild): 4928x3264 Pixel Speicherplatzbedarf (Digitalbilder): 227 MB Punktewolke: Speicherplatzbedarf des Gesamtprojekts: 3,33 GB 6

7 Dokumentation einer Blockbergung Beispiel 2: Fotografische Dokumentation einer Blockbergung Bei der Aufnahme einer Blockbergung werden konzentrische Bildsequenzen erstellt. Es empfiehlt sich mehrere konzentrische Bildsequenzen zu erstellen, auch sollten einige Aufnahmen von oben auf das Objekt (in einem spitzen Winkel) aufgenommen werden. Zusätzlich sollten Passpunkte (Nägel mit farbigem Nagelkopf) im Planum eingebracht sein, über die die Punktewolke später skaliert werden kann. 7

8 Dokumentation einer archäologischen Grabungsfläche Beispiel 3: Fotografische Dokumentation einer Grabungsfläche Bei der Aufnahme einer Grabungssituation ist es ratsam zunächst eine ganze Reihe an konzentrischen Sequenzen zu erstellen und dann wieder in Detailsequenzen überzugehen, wo eine Verdichtung von Punkten erwünscht ist. Es ist darauf zu achten genügend Passpunkte in der Grabungsfläche zu verteilen (min. 6 Passpunkte), über die die Punktewolke später skaliert und ggf. georeferenziert werden kann. Die Passpunkte werden idealerweise mittels eines Tachymeters eingemessen, es ist aber auch denkbar die Skalierung der Punktewolke über eine gemessene Strecke zu realisieren. 8

9 Fassadendokumentation Beispiel 4: Fotografische Dokumentation einer Fassade Zunächst werden Übersichtssequenzen erstellt. Beruhend auf diesen Sequenzen erfolgt eine Verdichtung in definierten Bereichen über mehrere Detailsequenzen. Abbildung: Screenshot von aspect 3D 2012: Punktewolke einer Fassade mit Kamerapositionen im Raum. Projektdaten: Kamera: Nikon D5100 Anzahl der Aufnahmen: 52 Brennweite: 25mm Belichtungszeit: 1/200 sec. Blende: F7.1 Bildgröße (je Bild): 4928x3264 Pixel Speicherplatzbedarf (Digitalbilder): 357 MB Punktewolke: 3,2 mio. Speicherplatzbedarf des Gesamtprojekts: 2,58 GB 9

10 4. Projektmanagement Die Erzeugung von Punktewolken aus digitalen Bildsequenzen generiert große Datenmengen in relativ kurzer Zeit. Deshalb sollte Sie sich frühzeitig um ein sinnvolles Datenmanagement und um Datensicherungsstrategien kümmern. Zunächst sollten Sie einzelne Projektordner anlegen, in denen Sie die Bilder verwalten können. Bei den nachfolgenden Berechnungsprozessen werden automatisch weitere, relevante Ordner und Dateien in einer vorgegebene Struktur angelegt. Dadurch vervielfacht sich die ursprüngliche Ausgangsdatenmenge. Genügend Speicherressourcen sind daher unerlässlich. Sobald Sie die Bilder überspielt haben, sollten Sie die Bilder bezüglich der oben genannten Bedingungen (Schärfe, Belichtung, Überlappung, Vollständigkeit etc.) prüfen. Gegebenenfalls müssen Sie nun noch weitere Aufnahmen machen oder Sequenzen wiederholen. 5. Hinweise zur Computerkonfiguration Die Generierung von 3D-Punktwolken aus einer großen Anzahl von hochaufgelösten Digitalbildern ist extrem rechenintensiv (digitale Bildverarbeitung). Daher werden an die Computerausstattung hohe Anforderungen gestellt. Der ImageScan Prozess läuft mehrphasig ab. In bestimmten Phasen wird mehr CPU-Leistung und in anderen Phasen wieder mehr Arbeitsspeicher benötigt. Zwingende Voraussetzungen: INTEL-CHIP nvidia-grafikkarte (CUDA-kompatibel mit Fermi-Kernen) 64bit-System Empfohlene Voraussetzungen: Dual-Core, oder besser Quad-Core mind. 16 GB-RAM mind. 1TB Festplatte Sehen Sie die empfohlenen Werte als Minimalkonfiguration an, je leistungsfähiger Ihr Computersystem ist, desto schneller können Sie große Datenmengen verarbeiten. Rechnen Sie auf jeden Fall mit mehreren Stunden Rechenzeit zur Generierung Ihrer 3D-Punktwolke. Die Verwendung von selbst hochwertig konfigurierten Laptops ist zur Generierung von 3D-Punktewolken weniger geeignet, da die Hardware zur Berechnung oft nicht ausreicht. Deswegen empfehlen wir die Verwendung von Desktop-System. 10

11 6. aspect 3D Nachdem Sie die Fotos gesichtet und geprüft haben können Sie sie nun mittels aspect 3D zu einer Punktewolke berechnen lassen. Bitte beachten Sie, dass die erzeugte Punktewolke weder skaliert, richtig ausgerichtet noch georeferenziert ist. Skalierung, Ausrichtung und Georeferenzierung kann mit aspect 3D in einem nachgängigen Bearbeitungsschritt realisiert werden. Für die Skalierung kann eine am Original gemessenen Strecke zwischen zwei Passpunkten (diskreten Punkten bspw. gut identifizierbare Objektpunkte) benutzt werden. Für die Ausrichtung und Georeferenzierung empfiehlt sich ein orthogonales Messraster, das in einem übergeordneten Vermessungssystem (Gauß-Krüger-System, UTM, usw.) eingehängt ist oder eine tachymetrische Vermessung von Punkten am Objekt. 11