AIIPS. Interdisziplinäre Projektarbeit WS 2010/2011. Gruppe: Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil

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1 AIIPS Interdisziplinäre Projektarbeit WS 2010/2011 Gruppe: Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil Mobil in der Stadt Untersuchung der Funktionsweise und Möglichkeiten aktueller 3D Laserscanner zur möglichen Erhebung von BFM-verwendbaren Daten

2 Inhalt I. Einleitung... 3 II. Vorgehensweise... 3 III. 3D Laserscanning Entwicklung Bestandteile Funktion Anwendungsszenarien... 8 IV. Diskussion... 8 V. Anhang... Fehler! Textmarke nicht definiert. VI. Quellen Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil

3 I. Einleitung Das Ziel dieser Ausarbeitung ist eine Untersuchung, ob und in welcher Form aktuelle 3D Scanner Daten für eine Weiterverarbeitung durch ein BFM-Gerät erheben können. Exemplarisch für diese Untersuchung wurde ein Gerät namens Photon 120 der Firma Faro, welches sich im Besitz des Labors für Geoinformation FB 1 der Fachhochschule Frankfurt befindet, verwendet. Laserscanning ist ein Weg der Messung von Objekten oder Bildern mit Hilfe eines Laserstrahles. Dabei spielt die hohe Leistungsdichte sowie zahlreiche Grundlagen der Mathematik eine zentrale Rolle. Die Erhebung von dreidimensionalen Daten hat zahlreiche Anwendungsgebiete in unterschiedlichsten Disziplinen und sorgt sowohl in der Industrie, als auch forschenden Einrichtungen bereits sein Potential. Der Markt für solche Geräte ist noch recht übersichtlich, so gibt es bis heute nur wenige spezialisierte Unternehmen. welche meist nur ein Gerät auf dem Markt haben und dieses pünktlich zu wichtigen Messen in aktualisierter Version präsentieren, ohne dafür im Vorlauf eine Werbekampagne zu starten. Dies der enorm hohe Preis und der Fakt, dass die Informationslage zu solchen Geräten mehr als spärlich sind, lässt erahnen in welchem Konkurrenzkampf die Firmen stehen, da sich noch keine Käuferschicht eingestellt hat. Für den vorliegenden Anwendungsfall sollte ein mögliches Gerät kompakt und schnell sein. Als Ziel wäre eine detailgenaue Aufnahme von öffentlichen Bereichen/Gebäuden wünschenswert, welche sich leicht in gängige Architekturprogramme importieren lässt, um eine weitere Verarbeitung zur Ermittlung von Barrieren, definiert nach den aktuell geltenden DIN-Normen zu Barrierefreiheit, durch eine entsprechende Anwendung zu ermöglichen. II. Vorgehensweise Zunächst wurde das Internet als Einstiegsquelle verwendet. Dabei stellte sich recht schnell heraus, dass es nur eine kleine Anzahl an Anbietern gibt, die Informationslage zur Funktionsweise und potentiellen Anwendungen sehr gering ist und auch kaum Literatur zu aktuellen Geräten vorhanden ist. Durch die Recherche auf dem Internetauftritt der Fachhochschule Frankfurt kam die Information zu Tage, dass der Fachbereich 1 ein voll eingerichtetes Labor für Geoinformation besitzt, welches neben modernen Rechnern, entsprechenden Plottern und 3D Monitoren, Theodoliten und antiken Vermessungsgegenständen auch einen leistungsstarken 3D Scanner besitzt. Schnell war der Kontakt zu einem der Mitarbeiter des Büros hergestellt und so konnte die Projektgruppe erstmals den möglichen Anwendungsfall einem nicht involvierten Experten vorstellen. Hierbei stellte es sich heraus, dass ein solcher Kontakt eine gute Möglichkeit ist die Akzeptanz für das Projekt zu erfragen und weitere Anregungen und Ideen zu sammeln. Anschließend an die Vorstellung und den Bericht gab es eine Demonstration des Gerätes im Materialraum des Fachbereich 1, sowie eine Vorstellung am Rechner von bereits durchgeführten Scans. Hierbei war vor allem eine Scanreihe von 2 Büros der Fachhochschule von Interesse, da hier mit sehr höher Auflösung gearbeitet wurde und somit die Detail Genauigkeit unglaublich hoch war. Die beim Scanner mitgelieferte Software stellte sich als enorm mächtig heraus, so 3 Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil

4 gibt es zahlreiche Ansichts- und Bearbeitungsmöglichkeiten, wie z.b. das Freistellen von zusammengehörigen Flächen, welches für eine mögliche spätere Klassifizierung bereits ein vielversprechender Zwischenschritt wäre. Auch die Fülle der Exportformate stellte sich als immens dar, so sollte jedes gängige Architekturprogramm bedient werden können um einen Scan zur weiteren Bearbeitung zu importieren. Um dieser Einführung eine entsprechende theoretische Grundlage zu liefern wird im Folgenden die Entwicklung, die Funktionsweise und Anwendungsszenarien sowie eine Diskussion zum Einfluss auf den Projektverlauf vorgestellt. III. 3D Laserscanning 1. Entwicklung Die Entwicklung des 3D Laserscanners hat seinen Ursprung in der Geodäsie, also der Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche (DIN ). Die Geodäsie beschäftigt die Menschheit schon seit der Hochzeit Ägyptens, in denen die periodisch auftretende Landaufteilung nach der alljährlichen Nilüberschwemmung den Geodäten für diese Zeit zum wichtigsten Mann des Landes machte. Die Entwicklung von zahlreichen Theorien zur Form der Erde und Entdeckung neuer Kontinente trieb diese Wissenschaft immer weiter voran und so wurden zahlreiche mathematische Verfahren entwickelt, welche noch heute die Grundlage für moderne Messverfahren bilden. Die ersten Methoden zur Oberflächenerkennung wurden in der Industrie zur Qualitätskontrolle sowie zur Digitalisierung von Prototypen entwickelt. Dabei handelte es sich meist um ein nicht mobiles Gerät welches eine Lichtschranke aufbaut. Die Werkstücke wurden durch diese Lichtschranke geschoben und somit konnten einfach Formen wahrgenommen werden. Diese ersten Schritte der Objekterkennung spielten sich zunächst im zweidimensionalen Raum ab und erst durch die heutigen Rechenkapazitäten sind komplexe Echtzeitberechnungen möglich. Heute hat sich eine enorme Benutzerschicht gebildet, die aus den unterschiedlichsten Disziplinen, wie z.b. der klassischen Vermessung, der Forensik, der Qualitätskontrolle, der Medizin, der Spieleindustrie und zahlreichen anderen Fachrichtungen kommt. 2. Bestandteile Die Grundbausteine eines Laserscanners sind der Laserscanner, ein Spiegel sowie eine Sensoreinheit, welche die Reflektion der Oberfläche des zu messenden Objektes wahrnimmt. 4 Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil

5 Abbildung 1 [Pfeif93] Abbildung 1 zeigt die genannten Bestandteile anhand des Aufbaus eines einfachen Laserscanners. Dabei wird der Lase über einen Spiegel und einen Polygon Spiegel umgeleitet. Dieser Spiegel rotiert und bildet somit die Kollimator Optik. Zwischen diese die Empfangsoptik wird der zu prüfende Gegenstand in das Meßfeld gehalten. Anhand der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal welches der Fotoempfänger wahrnimmt, kann somit die Oberflächenstruktur des Prüflings festgestellt werden. Für einen 3D Scan ist zusätzlich zu den bereits genannten Komponenten eine weitere Rotationsebene notwendig um die auf einer weiteren Achse Daten zu ermitteln. Somit kann eine elektro-optische Distanzmessung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Ebene durchgeführt werden. Abbildung 2 [Produktbild Faro] 5 Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil

6 3. Funktion Im Scankopf des Gerätes befinden sich der Laser, sowie die Sensorik zur Wahrnehmung der Rückmeldung. Die besondere Eigenschaft des Lasers, die geringe Strahlendivergenz sowie die hohe Leistungsdichte qualifizieren dieses Medium für exakte und schnelle Datenerhebung. Abbildung 3 [Produktfoto Faro] Der Laser trifft auf einen rotierenden Spiegel, welcher dafür sorgt, dass sowohl Aus-, als auch Eingangssignal über den größtmöglichen Teil der Y-Achse laufen und somit eine erste Dimension gescannt wird. Dabei greift der Scanner auf die Lichtlaufzeit zurück und kann durch Errechnung der Absende-, und Rückstrahlungszeit die Distanz zu einem Punkt ermitteln. Durch die Parametereingabe kann die Anzahl der ausgesendeten Strahlen manipuliert werden und somit die Genauigkeit bestimmt werden. Zu beachten ist, dass eine größere Entfernung des aufzunehmenden Objektes immer eine höhere Genauigkeit fordert, da ansonsten kleinere Objekte erst gar nicht wahrgenommen werden, bzw. die Detailgenauigkeit sehr stark leidet. (Vergleich Abbildung 4 und 5) 6 Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil

7 Abbildung 4 Abbildung 5 Um dieses Problem zu vermeiden liegt den meisten Geräten eine Tabelle bei, mit Empfehlungen für Detailgenauigkeit zu entsprechender Entfernung. Hat der Scanner eine Dimension der Y-Achse aufgenommen, so rotiert die X-Achse schrittweise weiter, um so Scheibe für Scheibe aufzunehmen. Je nach Detailgrad kann ein solcher Vorgang zwischen wenigen Minuten bis hin zu Stunden in Anspruch nehmen. Das Ergebnis entspricht einem 360 Panoramabild (Vergleich Abbildung 6), welches nur einen toten Winkel im Bereich des Statives besitzt, zunächst eine Farbbeschränkung auf Grautöne aufweist und je nach Auflösung von stark verpixelt bis hin zu extrem hoch aufgelöst variiert. Abbildung Panorama Bild ( Abbildung 7 3D Scan einer Flughalle in hoher Auflösung ( 7 Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil

8 Ein einzelner Scan jedoch führ noch nicht zu einem dreidimensionalen Ergebnis. Der Scanner muss auf weiteren Messpunkt aufgebaut werden und auch von dort eine Aufnahme anfertigen. Auch hier gilt je mehr Aufnahmen, desto weniger Lichtschatten und desto exakter ist das Ergebnis. Um eine lückenlos Überschneidung zu gewährleisten können Scanmarken aufgebaut werden, welche in den Aufnahmen Fixpunkte bilden, die beim Zusammensetzen der Teilaufnahmen verwendet werden können. 4. Anwendungsszenarien Eingebettet in das Ziel des Projektes, wäre die Erfassung von dreidimensionalen Daten ein großér Schritt weg vom Model hin zur praxisnahen Anwendung. Das detailgenaue Ermitteln von Außenflächen würde den Prozess der Datenerhebung von Bestandsbauten, welches einen Zweig des Gesamtkonzeptes einnimmt, erheblich erleichtern. Die enorm große Anzahl an Exportformaten würde ein importieren in eine mögliche Anwendung ermöglichen und somit wäre ein schnelles Verwenden, also eine Untersuchung auf Barrierefreiheit möglich. IV. Diskussion Vorteile - Schnelles und Exaktes Erfassen - Mächtige Softwaretools - Zahlreiche Exportformate - Variable Genauigkeit, je nach Verwendungszweck - Zusatzmodule (Kameraunterstützung) Nachteile - Teuer - Teilweise enorme Rechenkapazitäten nötig - Enorme Nachbearbeitungszeit Fazit: Der Baustein 3D Scanner kann eine große Hilfe sein, um die Erfassung von Bestandsbauten voran zu treiben. Eine einzelne Person könnte große Flächen digitalisieren. Problematisch werden die Nachbearbeitung da hier eine gewisse Erfahrung benötigt wird, sowie das Exportieren, welches zwar prinzipiell möglich ist, aber die teilweise extrem großen Datenmengen brauchen entsprechende Rechenleistung. Der Baustein an sich funktioniert aber soweit und könnte bereits im aktuellen Stand verwendet werden. Da aber zunächst das Erkennen von Barrieren in einem dreidimensionalen Raum im Vordergrund steht, wird das 3D Laserscanning zunächst nur eine kleinere Rolle spielen und als erfolgreich kennengelernter Baustein in die Sammlung der Methoden aufgenommen. 8 Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil

9 V. Quellen [Pfeif93] Tilo Pfeifer; Optoelektronische Verfahren zur Messung geometrischer Grössen in der Fertigung. Grundlagen, Verfahren, Anwendungsbeispiele; Expert-Verlag; Auflage: 1 (1993) [Niem01] Niemeier, W, Anwendungspotentiale von scannenden Meßverfahren; TU Braunschweig, Verlag Philipp von Zabern, 2001 [InSystems05] ( ) 9 Agnes Werner, Stefan Herbert, Wolfgang Kubisch, Jürgen Meß, Christian Peil