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datenerfassung mittels 3d-scans
Ein wichtiger Arbeitsschwerpunkt des Greifenberger Institus ist die messtechnische Erfassung und Dokumentation der Forschungsobjekte und die Entwicklung von praktikabler Methoden dieser anspruchsvollen Aufgabe.
In den
letzten Jahren hat sich die 3D-Scanning-Technologie zur digitalen
dreidimensionalen Erfassung von Objekten rasant weiterentwickelt und erlebt
einen immer stärker werdenden Einzug in die Geisteswissenschaften. Nachdem wir viele Jahre die angebotenen Scan-Verfahren als zu unpraktikabel verworfen haben (die vom Scanner generierten Punktwolken mussten „händisch“ in Flächen und Linien umgewandelt werden), gibt es inzwischen hochleistungsfähige, teils KI-unterstützte 3D-Scanner, die diese Arbeit der Umwandlung der Punktwolken in Polygonnetze automatisiert übernehmen.
Zudem
erstellen sich durch in den Geräten verbaute separate Kamerasysteme
realistische Farbtexturen der Oberfläche, die auf dem digitalen Modell
dargestellt werden. Durch das Photo-Mapping von Aufnahmen hochwertiger Spiegelreflexkameras
lässt sich diese Textur weiter optimieren. So können mit deutlich weniger
Aufwand sehr realistisch anmutende virtuelle 3D-Modelle erstellt werden, die
später in Visualisierungs- und Analysetools auf die jeweilige Fragestellung hin
ausgewertet und präsentiert werden können.
3D-Scan-Geräte: Artec Leo / Artec Spider und Stereoskop
Für die Erfassung der Instrumente nutzen wir den 3D-Scanner Artec Leo. Dieser vielseitige, auf mittelgroße bis große Objekte spezialisierte 3D-Scanner arbeitet vollkommen autonom und ist nicht auf einen angeschlossenen Computer zur Verarbeitung der Scandaten während der Aufnahme angewiesen. Dadurch ist das Gerät sehr flexibel und kann frei um die nur beschränkt mobilen Instrumente bewegt werden. Wir erreichen mit ihm reproduzierbar Scandaten mit einer Auslösung, Genauigkeit und Präzision von ca. 0,2-0,3mm, was das untere realistische Ende der Leistungsskala des Scanners entspricht. Liegen in der Umgebung Idealbedingungen vor, gelangen wir in die idealen Endbereiche der Geräteleistung mit entsprechenden Werten um 0,1mm.
Darüber hinaus können einzelne Bauteile der Instrumente wie Tasten, Dämpfer und Auslösung, sowie detailreiche Regionen mit dem Artec Space Spider erfasst werden. Anders als sein „großer Bruder“ ist dieser Scanner auf einen externen Computer angewiesen, in dem die Scandaten verarbeitet werden. Hierdurch und durch seine Geräteparameter liefert der Space Spider Punktwolken mit einer Auflösung bis zu 0,1mm, womit auch feinste Details wie Anrisslinien, Gravuren und Holzmaserungen in den Punktwolken erfasst werden können.
Bei Bedarf können die Daten beider Geräte miteinander kombiniert werden, sodass sich große Instrumente als Ganzes und mit detailreichen Einzelregionen gezielt und reproduzierbar erfassen lassen.
Als Ergänzung zu diesen beiden Geräten arbeiten wir gemeinsam mit Dr. Susanne Bosche an der Konstruktion von 3D-Digitalisierungsgeräten mit kleineren Abmessungen, mit denen beispielsweise die Innenkonstruktion eines Hammerflügels räumlich erfasst werden kann, ohne das Instrument zu öffnen und damit zu beschädigen. Die Ausgangsbasis dieses Projekts sind kleine Stereokameras mit TiefenerfassungEine Steuerungskonstruktion ähnlich einem Endoskop-Schlauch soll die Steuerung im Innenraum der Instrumente gewährleisten.
Zusammen mit der Archäologin und IT-Spezialistin Dr. Susanne Bosche stellten wir ein Projekt auf, in dem wir die Chancen und Grenzen der Geräte für unsere Anwendungen ausloten wollten.
projektziele
- Genauigkeit der Messdaten
- Möglichkeiten von Vermessungen im 3D-Modell
- Kombination mit unserem FARO-Messarm
- Zeitliche Effizienz
Qualität der 3D-Daten
Im Verlauf unserer Arbeit konnten wir ein Verfahren entwickeln, das es uns ermöglicht, einen Hammerflügel komplett in unter 1 Stunde zu scannen und das zugehörige 3D-Modell in etwa der gleichen Zeit zu erstellen. Dabei erreichen wir verlässlich und reproduzierbar 3D-Punktwolkendaten mit einer Auflösung, Präzision und Genauigkeit von ca. 0,2-0,3mm. Die Aussagekraft dieser Messungen wurde durch Vergleiche mit anderen Messverfahren (händisch, Koordinatenmesstechnik) verifiziert. Mit dem Space Spider erreichen wir gleichsam reproduzierbar Werte von bis zu ca. 0,1mm.
Wissenschaftliche Belastbarkeit
Eines der zentralen Probleme bei der wissenschaftlichen Arbeit mit 3D-Daten ist, dass viele der von Herstellerfirmen und Präsentationsplattformen empfohlenen Nachverarbeitungstools mitunter substantiell in die Messwerte der 3D-Daten eingreifen und damit spätere Analyseergebnisse und Messungen beeinflussen oder gar verfälschen. Die für interaktive Darstellungen oft notwendigen Verkleinerungen der 3D-Scan-Punktwolken mit Originalgrößen von mehreren Millionen Vertices löschen Messpunkte. Damit schränken sie nicht nur die Ansatzstellen späterer Längenmessungen ein, sondern verfälschen auch die Aussagekraft flächenbasierter Analysetools wie der weiter unten geschilderten Abstandskarten. Sogenannte Optimierungsverfahren wie die Oberflächenglättung der Modelle verändern sogar die Raumdaten jedes einzelnen Vertex, womit sämtliche Messungen deutlich an Genauigkeit verlieren. Da es unser Anspruch ist, die Instrumente mindestens im Zehntelmillimeterbereich zu analysieren, verzichten wir konsequent auf die Nutzung derartiger Tools. Benötigen wir für externe Plattformen wie sketchfab oder Präsentationen effizient interaktiv nutzbare Modelle, erstellen wir eine Kopie des jeweiligen Messmodells, auf die wir die für die Darstellung notwendigen ‚Optimierungstools‘ anwenden. Durch diese Unterteilung in Messmodelle und Präsentationsmodelle gewährleisten wir sowohl die effiziente Präsentation der Modelle als auch die wissenschaftliche Belastbarkeit der Messungen.
Präsentationsmodelle
Wir konnten ergänzend
ästhetisch optimierte Präsentationsmodelle mehrerer Hammerflügel zur
digitalen Konservierung und orts- und zeitunabhängigen Vermittlung
erstellen.
3D-Modell des Nachbaus von Anton Walter auf Basis der Messdaten mit dem Leo-Streiflicht-Scanner
vergleichsmessungen
Für eine Untersuchung von Verformungen eines Instruments oder
Unterschiede zwischen mehreren Nachbauten desselben Instruments werden zwei
3D-Modelle zweier Phasen oder Nachbauten eines Instruments wie hier den beiden
Nachbauten unseres Hammerflügels aus der Schule von J. A. Stein übereinander
gelegt. Durch eine Abstandskarte lassen sich die Abweichungen zwischen den
beiden Modelle berechnen und farblich visualisieren. In grün eingefärbten
Bereichen stimmen die beiden Modelle überein; in blau und rot gefärbten
Regionen sind hingegen Abweichungen feststellbar. Das Ausmaß der Abweichung
nimmt mit der Farbintensität zu. Die unterschiedlichen Farben kennzeichnen die
Richtung der jeweiligen Abweichung.
Im Fall des hier dargestellten Instruments zeigt sich, dass die Nachbauten mit dem Original an den wesentlichen Punkten (grün) deckungsgleich sind. In den Bereichen die Abweichungen (rot/blau) aufzeigen, wird die beim originalen Instrument altersbedingte Verformung sichtbar.
