Photogrammetry - Formung 3D

Bild basierte 3D-Modellierung ist der Prozess der Erstellung einer dreidimensionalen Darstellung mittels Fotos. Es gibt zwei Hauptansätze zu diesem Prozess: Stereoskopie und Photogrammetrie.

Stereoskopie basierte 3D-Modellierung ist der Prozess der Erstellung einer 3D-Datei nur aus zwei Fotos. Das zugrunde liegende Prinzip der Stereoskopie 3D-Modellierung ist die Photogrammetrie und stereoskopisches Sehen. Stereoskopische Bilder gibt es schon fast so lange wie die Fotografie. Tatsächlich begann sich die stereoskopische Fotografie ab 1850 zu entwickeln. Besondere stereoskopische Kameras und Anzeigegeräte waren sehr beliebt und die Nachfrage nach Stereobilder von nahen und fernen Szenen entwickelten sich gut in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. (http://de.wikipedia.org/wiki/Stereoskopie) Doch während die Bilder aus dem 19. Jahrhundert neu und aufregend waren, wurde ihre Nützlichkeit auf die Freude der Betrachtung beschränkt. Erst mit der Entwicklung der Grundsätze der Photogrammetrie durch C. Pulfrich (1901) wurde das Stereobild ein Werkzeug für Analyse und Interaktion.

stereoscopic card

Ansicht von Boston (ca. 1860) eine frühe stereoskopischen Postkarte die eine Szene aus der Natur darstellt. (aus Wikipedia Commons)
Photogrammetrie ist die „Wissenschaft von der Messung in Fotos“ und wird am häufigsten in der Fernerkundung, Luftaufnahmen, Archäologie, Architektur und weiteren Bereichen eingesetzt. Sie beruht auf dem Prinzip, dass während eine einzige Photographie nur zweidimensionale Koordinaten - Höhe und Breite. Zwei überlappende Bilder einer gleichen Szene, leicht voneinander everschoben, können die dritte Dimension (Tiefe) ermöglichen. Dies ist sehr ähnlich wie das menschliche visuelle System eine Tiefenwahrnehmung erzeugt, bei dem Bildern unserer beiden Augen überlagert werden. Wir sind in der Lage, Objekte in drei Dimensionen, Volumen, Abstand und die relative Größe wahrzunehmen. Dies aufgrund unseres stereoskopischen Sehens. Dies ist der Tatsache zu verdanken, daß das Gehirn zwei leicht unterschiedliche Bilder von den unterschiedlichen Positionen des linken und des rechten Auges empfängt. Dies resultiert wegen der Tatsache der Augenzentralperspektive. Dieses Prinzip der stereoskopischen Betrachtung liegt dem Prinzip der Photogrammetrie zugrunde. Wenn zwei Bilder vom gleichen Objekt aus leicht unterschiedlichen Positionen gemacht werden, kann man die dreidimensionalen Koordinaten jedes Punktes berechnen. Die beiden Kamerapositionen sehen das Objekt mit so genannten Sichtlinien. Diese Sichtlinien schneiden sich mathematisch, um die 3-dimensionale Koordinaten der Punkte von Interesse zu erkennen. Dieses Prinzip der Triangulation ist auch der Weg wie unsere beiden Augen zusammenarbeiten, um Abstand zu messen. Mehr zum Thema Photogrammetrie und stereoskopisches Sehen können online gefunden werden. Das folgende Video beschreibt den Prozess, der auf dem Friedhof durchgeführt wurde. Analytische Photogrammetrie Die rasante Entwicklung der Computer nach dem 2. Weltkrieg sah die Anfänge der analytischen Photogrammetrie und algebraischer Formeln, die die Basis digitaler Luft Triangulation bildeten. Das Aufkommen der digitaler Fotografie und moderner Software für die Bilddatenverarbeitung förderte diese Entwicklung - ferner den Bereich für interaktive fotografischen Abbildung. Heute gibt es eine große Anzahl photografischer Software-Lösungen auf dem Markt. Einige basieren auf der Verwendung mehrerer Bilder oder auf Triangulations Prinzipien, ähnlich wie 3D-Scanner das Stereobild-Prinzip nutzen. Es ist jedoch wichtig zu erinnern, dass die Stereoabbildung keine 3D-Foto Modellierung ist. Die Kamera kann wie das menschliche Auge nicht berechnen, was sie nicht sehen kann. Es kann einschätzen, extrapolieren, Durchschnittswerte berechnen und Schätzung auf der Grundlage der verfügbaren Informationen kalkulieren. Jedoch können wahre Tiefe Berechnung durchgeführt werden, wenn das betreffende Gebiet photografisch erfasst wurde. In zwei überlappenden Bildern gibt es große Bereiche der Informationen die fehlen. Dennoch, auch wenn präzise analytische Informationen fehlen, können interaktive Stereobildern erheblich die Wahrnehmung des Objekts verbessern. Dies wird bei Reliefs, dreidimensionalen Oberflächen und groben Texturen deutlich. Komplexe Photogrammetrie versucht, das betreffende Gebiet aus vielfältigen Blickwinkeln zu erfassen, so dass die vollständige Erzeugung von eines vermessenen 3D Motivs möglich ist. Photogrammetrie in Bad Neustadt Eine der zentralen Aufgaben der Bildgebung in diesem Projekt war die Abbildung des Friedhofs. Es erfolgte eine genaue Wiedergabe vom Grundriss um einen virtuellen Zugang zum Friedhof zu schaffen und die Gräber mit so vielen Informationen wie möglich zu erfassen. Der ursprüngliche Plan war, die Karte auf Luftaufnahmen zu stützen. Es wurde jedoch schnell klar, dass zwei Hindernisse in den Weg standen. Einmal das Thema Finanzierung und praktisch physikalische. Luftbildaufnahmen des Geländes waren teuer und die Auflösung war zu gering. Google Bilder waren bei weitem nicht hoch genug in der Auflösung und daher nicht von wirklichem Nutzen. Weiterhin wurde deutlich, dass etwa die Hälfte der Fläche des Friedhofs von einem dicken Blätterdach der Bäume versteckt wurde. Luftbildfotografie oder auch Mast-Fotografie schieden aus. Um diese Hindernisse zu überwinden, könnte LiDAR Scannen eine wirksame Lösung sein. Der LiDAR (Light Detection And Ranging)-Scanner ist ein optischer Sensor, der den Abstand und andere Eigenschaften eines Objekts mit einem Laser misst. Diese Technik kann die Überwucherung durchdringen und daraus resultiert ein digitales Geländemodell ("DTM"), welches die verborgene Oberfläche zeigt. Jedoch war auch dies keine praktische Lösung, wegen der Kosten. Es wurde daher beschlossen, Boden-Photogrammetrie zur Anwendung kommen zu lassen. Für das 3D-Mapping entschied man sich für die Software Autodesk Recap. Dies ist ein Cloud-basierter Dienst, mit dem die Konstruktion von 3D-Modellen auf Basis von Photogrammetrie möglich ist. Autodesk führte ReCap erst kürzlich als Upgrade zu seinem ursprünglichen „123D Catch“ ein (eine mobile Software für Verbraucher), die Fotos in 3D-Modelle verwandelt. Die stark verbesserte Version erlaubt eine unbegrenzte Anzahl von überlappenden Fotografien aus verschiedenen Winkeln eines Objekts anzulegen, um eine große Punktwolke zu erzeugen. Anschließend entsteht ein hochauflösendes, texturiertes 3D-Modell. Die Software speichert in der Cloud und verarbeitet dort Fotos und Daten. In unserem Fall war es nicht so sehr das 3D-Modell, das von Interesse war, sondern vielmehr die Fähigkeit, die Oberfläche mit relativer Genauigkeit zu einem simulierten Luftbild des Friedhofs zu erzeugen. Anschließend können Sie dann mit einer virtuellen 3D-Kamera ein Layout aus einer erhöhten Position erschaffen.

Das folgende Video umreißt den Prozess, der im Kirchhof durchgeführt wurde.