Die 3D-Fotogrammetrie ist ein Verfahren, bei dem ein physisches Objekt digital erfasst wird, um ein präzises 3D-Modell zu erstellen. Dieser Prozess kann alles von Menschen und historischen Artefakten bis hin zu Flugzeugen, Gebäuden und noch größeren Bauwerken erfassen.

„Damit wird ein Objekt greifbar und immersiv, sodass man es von allen Seiten betrachten und seine Struktur genau erkennen kann“, erklärt John Maurice, European Product Marketing Manager bei Canon Europe. „Zwar kann man dies auch mit Computergrafiken erreichen, aber die vielen feinen Details, die durch die Fotogrammetrie erfasst werden, bleiben dort oft unberücksichtigt.“

Die Einsatzmöglichkeiten der digitalen Fotogrammetrie und von 3D-Modellen sind vielfältig. Diese Technik wird in Bereichen wie Fertigung, Entwicklung, Design, Unterhaltung und im Gesundheitswesen genutzt. „Ein 3D-Modell einer Person zu erstellen, kann sowohl bei Diagnosen als auch bei der Überwachung von Behandlungen unterstützen“, erläutert Maurice. „In der Industrie hilft die Erstellung von 3D-Modellen, die kostspielige Prototyping-Phase zu verkürzen.“

Die 3D-Fotogrammetrie ist ein hochspezialisierter Bereich, der äußerst präzise arbeitet. „Es erfordert eine Vielzahl von Fotos des Objekts, und in der Regel müssen sich die Bilder zu etwa zwei Dritteln überschneiden, um eine exakte 3D-Karte zu erstellen“, erklärt Maurice. „Wenn du die Aufnahmen mit einer einzelnen Kamera machst, musst du sie sehr fein und exakt bewegen, um diese Überlappung sicherzustellen.“

Aus diesem Grund setzen Unternehmen in der 3D-Fotogrammetrie häufig Rigs mit mehreren Kameras ein. Diese Kameras werden so angeordnet, dass sie das Motiv in einem einzigen Durchgang aus allen Blickwinkeln erfassen können. Anschließend werden die Bilder in eine spezialisierte Software eingespeist, die die Übereinstimmungen zwischen den Aufnahmen analysiert und daraus die 3D-Geometrie erstellt.

Der 3D-Scan-Experte Sample & Hold verwendet zwei solcher Rigs: eines für Ganzkörperscans und ein weiteres für Kopfscans. „Unser Körper-Rig besteht aus 154 Kameras“, erklärt Sam Jackson, Mitgründer des Unternehmens. „Auch wenn das Rig nicht riesig ist, sind es dennoch eine beachtliche Anzahl an Kameras. Sie sind in einem 360°-Kreis um die Person herum positioniert und lösen gleichzeitig aus. Dadurch erhalten wir eine Vielzahl von Bildern dieses Moments, die wir dann durch die Reality Capture Software laufen lassen. Diese extrahiert die Informationen aus den Bildern, erkennt gemeinsame Punkte in den Aufnahmen und erstellt daraus ein vollständiges 360°-Modell.“

Welche Kamera eignet sich am besten zum 3D-Fotogrammetrie-Scannen?

Wenn du Kameras für ein 3D-Fotogrammetrie-Rig mit mehr als 100 Geräten suchst, ist es entscheidend, auf preisgünstige Optionen zu setzen. „Einsteiger-DSLRs sind für diese Art von Arbeit ideal geeignet“, erklärt Maurice. „Ebenso sind kostengünstige Objektive eine gute Wahl. 50-mm-Objektive sind besonders beliebt, da sie sowohl erschwinglich als auch von hoher Qualität sind.“

Ein großer Vorteil bei der Entscheidung für Canon Kameras in der 3D-Fotogrammetrie ist die umfangreiche Systemunterstützung. „Canon bietet eine breite Palette an Produkten zu verschiedenen Preisklassen“, erklärt Maurice. „Benötigst du Zubehör wie einen AC-Adapter, können wir das bereitstellen. Zudem stellen wir das Canon SDK [Software Developer Kit] zur Verfügung, sodass Drittanbieter auf die Hardware der Canon Kameras zugreifen und sie in spezielle Workflows integrieren können. Wenn du deine Kameras später durch neuere Modelle ersetzt, muss lediglich das SDK aktualisiert werden, um die neuen Geräte zu unterstützen und den Workflow reibungslos fortzuführen.“

Jackson erläutert, dass für die 3D-Fotogrammetrie keine komplexen Profi-Funktionen erforderlich sind. „Derzeit nutzen wir die Canon EOS 2000D und die Canon EOS M6 Mark II“, verrät er. „Die EOS 2000D hat einen 24-MP-Sensor, was eine großartige Auflösung bietet und dabei ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis liefert. Die EOS M6 Mark II ist ähnlich, verfügt jedoch über einen 32,5-MP-Sensor. Der Einsatz der M6 Mark II war für uns ein Experiment, da wir zuvor noch keine spiegellose Kamera verwendet hatten. Jetzt überlegen wir, all unsere Rigs mit der EOS M6 Mark II auszustatten, weil sie exzellente Leistung bietet.“

„Ein Grund, warum wir noch nicht auf Vollformatkameras umgestiegen sind, liegt darin, dass APS-C-Kameras eine größere Schärfentiefe bieten, was bei der Datenverarbeitung von großer Bedeutung ist.“

Für das Ganzkörper-Rig verwendet Sample & Hold eine Mischung aus 100 mm-, 85 mm- und 50 mm-Objektiven, darunter das Canon EF 85mm f/1.8 USM und das Canon EF 50mm f/1.8 STM. Die längeren Brennweiten werden genutzt, um gezielt Bereiche wie Hände und Füße festzuhalten. Das Kopf-Rig setzt hingegen auf eine Kombination aus 40 mm- und 50 mm-Objektiven, wie das Canon EF 40mm f/2.8 STM.

„Wir arbeiten ausschließlich mit Festbrennweiten“, erklärt Jackson, „teilweise, weil wir sicherstellen möchten, dass sich nichts verstellt, besonders wenn das Rig bewegt wird.“

„Da Einsteigerkameras nicht für unsere speziellen Anforderungen entwickelt wurden, kommt es manchmal zu Abweichungen bei den Verschlusszeiten“, fügt er hinzu. „Um dieses Problem zu umgehen, verwenden wir Blitzgeräte zur Steuerung der Belichtung. Wir arbeiten in einem abgedunkelten Raum und setzen bei unseren Kameras Verschlusszeiten von 1/3 oder 1/5 Sekunde ein. Die Blitze werden dann synchron ausgelöst, um die Bilder korrekt zu belichten. Wir steuern die Kameras mithilfe der Smart Shooter Software und synchronisieren alles mit Esper TriggerBoxes.“

Die Verwendung mehrerer Kameras zur Erstellung eines Fotogrammmetrie-Scans

Die Verwendung mehrerer Kameras zur Erstellung eines Fotogrammetrie-Scans
Esper bietet Multi-Kamera- und 3D-Scan-Lösungen für die Videospiel- und Visual-Effects-Branche sowie für Werbung, wissenschaftliche Forschung, Bullet-Time-Fotoboxen und mehr an. Nick Foots, Leiter des Unternehmens, betont, dass das wichtigste bei der Einrichtung eines 3D-Fotogrammetriesystems darin besteht, das gewünschte Endergebnis im Blick zu haben.

„Das erste, was ich in einem Beratungsgespräch frage, ist: Wofür wird das Endprodukt verwendet? Welche Auflösung und welches Format werden benötigt? Auf dieser Grundlage kann man dann alle weiteren Entscheidungen treffen“, erklärt Foots. „Wenn die Bilder nur für den E-Commerce in geringer Auflösung verwendet werden, ist es schlicht nicht nötig, 60 Kameras einzusetzen.“

„Wenn du ein 4K-Videospiel entwickelst, könntest du mehr als 160 Kameras benötigen. Wenn du hingegen nur kleine 3D-Modelle von Menschen mit einem FDM-Drucker erstellst, reichen oft 30 bis 50 Kameras aus. Mehr Kameras bringen in diesem Fall keinen Vorteil, da ein 3D-Drucker diese hohe Auflösung nicht wiedergeben kann.“

„Wenn das Objekt klein genug ist und sich nicht bewegt, kannst du ein 3D-Modell mit nur drei oder vier Kameras, einer kontrollierten Beleuchtung und einer manuellen Drehplatte sehr kostengünstig erstellen“, erklärt Foots weiter. „Es ist auch möglich, mit nur einer Kamera beeindruckende Fotogrammmetrie-Scans zu machen. Allerdings solltest du dir überlegen, ob diese Methode für deine Zwecke skalierbar ist und wie sie in deinen gesamten Workflow passt.“

Sample & Hold empfiehlt, zunächst mit einer einzelnen Kamera zu starten. „Jeder kann Fotogrammmetrie im Freien bei Tageslicht und mit nur einer Kamera ausprobieren“, sagt Jackson. „Für unbewegliche Objekte, wie etwa ein Gebäude, brauchst du keine mehreren Kameras – du kannst einfach eine Kamera aus verschiedenen Winkeln verwenden.“

„Es gibt viele YouTube-Tutorials, die dir zeigen, wie es funktioniert“, fügt Jackson hinzu. „Anschließend kannst du die Bilder durch eine kostenlose Open-Source-Software wie Meshroom laufen lassen und 3D-Modelle erzeugen. So lassen sich wirklich interessante Ergebnisse erzielen.“

Marcus Hawkins