Was ist Photogrammetrie?
Photogrammetrie ist ein Verfahren, bei dem anhand von Fotos zuverlässige Messungen vorgenommen werden können. In der einen oder anderen Form gibt es Photogrammetrie schon seit Jahrhunderten, und sie hat dazu beigetragen, unser Verständnis von Dingen wie der Erdoberfläche zu verbessern. Heute spielt sie in vielen Branchen eine wichtige Rolle. Im Folgenden finden Sie eine Einführung in die Photogrammetrie, die Ihnen ein allgemeines Verständnis dafür, was sie ist und wie sie funktioniert, vermittelt.
Einführung
Die Photogrammetrie ist ein breit gefächertes Thema. Im Laufe der Jahre wurde sie immer beliebte und wird heute in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, die alle ihre eigenen Besonderheiten haben. Hier stellen wir die allgemeinen Konzepte vor, die der Photogrammetrie zugrunde liegen. Wir gehen darauf ein, wie sie funktioniert, welche Anwendungen es gibt, welche Hardware typischerweise verwendet wird und wann Photogrammetrie generell eingesetzt werden sollte – und wann nicht.
Beginnen wir mit einer Definition.
Definition der Photogrammetrie
Photogrammetrie ist der Prozess der zuverlässigen Vermessung von Fotos. Eine solche Definition mag etwas vereinfacht erscheinen, doch die Etymologie des Begriffs bestätigt dies: "Photos" ist griechisch für Licht, "gramma" bedeutet Schreiben oder Zeichnen und "metron" – messen.
Vielleicht stoßen Sie auch auf einige Definitionen der Photogrammetrie, welche die Messung von Mustern elektromagnetischer Strahlungsenergie und anderer Phänomene beinhalten. In manchen Kreisen umfasst die Definition der Photogrammetrie nämlich nicht nur die Fotografie, sondern auch Daten aus anderen multispektralen Bilddaten.
SCHLÜSSELGEDANKE
Die Photogrammetrie ist ein Verfahren, mit dem zuverlässige Messungen anhand von Fotos durchgeführt werden können.
Letztendlich bleibt das allgemeine Prinzip unverändert: Zuverlässige Informationen über die Dimensionen physischer Objekte durch die Untersuchung und Interpretation von Bildern zu erhalten. In den meisten Fällen handelt es sich bei diesen Bildern um gewöhnliche Aufnahmen von einer Kamera – in der Regel einer DSLR. Das ist die Definition, mit der wir arbeiten werden.
Stellen Sie sich also ein altes Bild eines Tatorts mit einem Lineal als Maßstab vor, das neben einem Objekt platziert und fotografiert wurde. Kann man das als Photogrammetrie bezeichnen? Immerhin bietet sich hier ein Mittel zur Vermessung eines Objekts anhand eines Fotos.
Nun, nicht ganz. Wir werden gleich verstehen, warum.
Wie funktioniert die Photogrammetrie?
Wir definieren Photogrammetrie als die Durchführung zuverlässiger Messungen anhand von Fotos. Das Wort „zuverlässig“ hat dabei besondere Bedeutung, denn im Grunde genommen geht es bei der Photogrammetrie in erster Linie um Zuverlässigkeit.
Kommen wir nun auf den Tatort zurück: Nehmen wir an, wir haben ein Bild eines Fußabdrucks auf dem Boden mit einem kriminaltechnischen Lineal daneben. Wir können die Schuhgröße nicht sicher aus dem Bild bestimmen, selbst wenn das Lineal als Maßstab dient. Wenn sich der Fußabdruck über einen Erdhügel wölbt, erscheint er von oben betrachtet kleiner als er tatsächlich ist.
Wenn dieser Fußabdruck über einem gewölbten Erdhügel entstanden ist, könnte er aus dieser Perspektive kleiner erscheinen, so dass Messungen anhand des Bildes unzuverlässig sind.
Um eine genaue Messung vorzunehmen, müssen wir die Krümmung der Oberfläche berücksichtigen. Wenn die Kamera jedoch direkt über dem Fußabdruck positioniert ist und nach unten schaut, kann sie die Konturen des Bodens nicht erkennen.
Wie also umgeht die Photogrammetrie dieses Problem?
Die kurze Antwort lautet: durch die Verwendung mehrerer sich überlappender Bilder aus unterschiedlichen Positionen und Winkeln.
Bei der Photogrammetrie werden aus mehreren sich überschneidenden Bildern, die aus unterschiedlichen Positionen und Winkeln aufgenommen wurden, die Dimensionen einer Szene abgeleitet.
Alles dreht sich um die Perspektive
Bei der Photogrammetrie dreht sich alles um die Perspektive und ihre Interpretation. Und: Bei der Photogrammetrie wird der Prozess der Fotografie im Wesentlichen umgekehrt. Während die Fotografie ein Objekt oder eine Szene in ein 2D-Bild umwandelt, geht die Photogrammetrie den umgekehrten Weg: Sie betrachtet diese 2D-Darstellung und konstruiert ein 3D-Modell anhand von Hinweisen auf den Bildern.
Aber wie genau?
Wir wissen, dass Kameras Objekte auf ähnliche Weise sehen wie das menschliche Auge. Je näher ein Objekt zum Beispiel an der Linse ist, desto größer erscheint es. Ein Beispiel dafür ist eine gerade Straße, die sich in der Ferne zu verjüngen scheint, obwohl sich ihre Breite nicht wirklich ändert.
Eine ausführlichere Demonstration dieses Konzepts findet sich in Albrecht Dürers 1525 erschienenem Text „Lehrbuch der Malerei“. Es zeigt zwei Männer, die versuchen, eine geometrisch genaue Zeichnung einer Laute zu erstellen. Sie stellen zunächst die Laute auf einen Tisch vor eine Art Fenster, allerdings mit einer Leinwand anstelle einer Fensterscheibe. Dann befestigen sie eine Schnur an einem Punkt in der Wand, an dem sich das Auge eines Betrachters befinden würde, und führen sie durch das offene Fenster.
Ein Kupferstich aus Albrecht Dürers „Lehrbuch der Malerei“ von 1525 zeigt die geometrische Perspektive. Die Photogrammetrie nutzt dieses Konzept, um aus 2D-Bildern 3D-Daten abzuleiten.
Anschließend bewegen die Männer das andere Ende der Schnur um verschiedene Punkte auf der Laute, notieren die Position der Schnur im Fenster für jeden dieser Punkte und zeichnen für jede Position der Schnur im Fensterrahmen einen Punkt auf die Leinwand. Das Ergebnis ist ein geometrisch genaues Punktmatrixbild der Laute.
Die Photogrammetrie macht sich diese Prinzipien zunutze, um Rückschlüsse auf die Abmessungen und physikalischen Eigenschaften von Objekten zu ziehen. Wenn genügend überlappende Bilder die notwendigen räumlichen Informationen liefern, lässt sich ein 3D-Modell eines ganzen Objekts oder einer Szene rekonstruieren.
Triangulation
Überlappende Bilder sind der Schlüssel zur Photogrammetrie. Durch die Identifizierung der gleichen Punkte in mehreren Bildern und die Berücksichtigung von Parametern wie Position und Ausrichtung der Kamera für jedes Foto, Brennweite, Objektivverzerrung und anderen Variablen kann bestimmt werden, wo sich diese Punkte im 3D-Raum befanden. Dies wird als Triangulation bezeichnet.
Bei der Triangulation werden gemeinsame Punkte in sich überlappenden Bildern identifiziert und ihre Positionen im 3D-Raum relativ zu den bekannten Kamerapositionen bestimmt.
Wenn ein Punkt in mindestens zwei Bildern, die von verschiedenen bekannten Standorten aus aufgenommen wurden, identifiziert wird, können wir imaginäre Linien von den beiden Kamerapositionen in Richtung dieses Punktes ziehen. Anschließend wird mathematisch bestimmt, wo sich die Linien schneiden. Die konvergierenden Linien geben uns die XYZ-Koordinaten des Zielpunkts. Und wenn wir genügend Punkte haben, können wir ein Modell der Szene konstruieren.
Der Mensch macht intuitiv genau das Gleiche. Wir laufen im Wesentlichen mit zwei kleinen Kameras in unserem Kopf herum, die leicht voneinander entfernt sind, um uns bei der Wahrnehmung von Tiefe und Entfernung zu helfen.
Maßstab und Orientierung
Allerdings ist zu beachten, dass photogrammetrische Modelle zwar Proportionen, aber keinen Maßstab haben. Um das Modell zu skalieren, muss mindestens eine bekannte Entfernung vorhanden sein.
Ähnlich wie unser Gehirn ein vertrautes Objekt benötigt, um die Größe von etwas, das wir betrachten, einschätzen zu können. Was auf einem Bild zunächst wie ein Gebäude in voller Größe aussieht, kann sich als Miniaturmodell herausstellen, wenn man eine Münze daneben legt. In der Photogrammetrie wäre das Äquivalent zu dieser Münze ein Maßstab.
Die Photogrammetrie liefert Proportionen, aber keinen Maßstab. Ohne die T-förmige, kalibrierte Maßstabsleiste ist es unmöglich zu sagen, wie groß (oder klein) diese Kurbelwelle ist.
Maßstabsleisten sind kalibrierte, lineare Leisten mit aufgedruckten Markierungen, die als Zielmarken oder Targets bezeichnet werden. Die Zielmarken auf den Maßstäben sind kodiert. Das bedeutet, dass die Software jedes Ziel eindeutig identifizieren kann. Nicht kodierte Zielmarken (wie die auf der Kurbelwelle im Bild) dienen lediglich als kontrastreiche Referenzpunkte, mit deren Hilfe die Bilder genau zusammengesetzt werden können. Sie sind nicht eindeutig identifizierbar.
Die Zielmarken auf den Maßstabsleisten sind durch einen bekannten Abstand voneinander getrennt und können daher zur Skalierung des Bildes verwendet werden. Um Konsistenz und Genauigkeit zu gewährleisten, werden die Maßstabsleisten aus Materialien hergestellt, deren Abmessungen sich bei Temperaturschwankungen nicht wesentlich ändern.
Außerdem werden vor der Aufnahme von Bildern Zielmarken um die Szene herum platziert, um robuste Referenzpunkte zu erhalten, die beim Zusammenfügen der Bilder mit den sich überlappenden Bildern abgeglichen werden.
Die Photogrammetrie-Software kann kodierte Zielpunkte zwischen den Bildern automatisch erkennen und abgleichen und diese Informationen nutzen, um die Bilder auszurichten und die Ausrichtung des Modells zu bestimmen. Die nicht codierten Targets werden zusätzlich verwendet, um die Genauigkeit des Modells zu überprüfen, nachdem die Software es verarbeitet hat.
Konsistenz und Qualität sind entscheidend
Es gibt eine ganze Reihe von Faktoren, die die Ergebnisse der Photogrammetrie beeinflussen. Die Hardware, wie Kameras, Objektive usw., bestimmt die maximale Qualität, die Sie erzielen können. Und wie zu erwarten, ist die Qualität der Bilder – die Auflösung, die Schärfe, die Tiefenschärfe und andere Faktoren – ebenfalls besonders wichtig. Darauf werden wir später noch etwas näher eingehen.
Abgesehen von der Qualität ist aber auch die Art und Weise, wie die Bilder aufgenommen werden, von Bedeutung.
Es kommt darauf an, dass das Objekt vollständig erfasst wird. Eine nützliche Empfehlung ist, mehrere Vollkreise um das Objekt zu machen und dabei systematisch Bilder in verschiedenen Abständen aufzunehmen, so dass die Kamerapositionen eine Art Kuppel um das Objekt bilden. Bei kleineren Objekten gibt es natürlich weniger Aufnahmen. In jedem Fall sollten Sie aber sicherstellen, dass das Objekt in allen Bildern vollständig scharf abgebildet ist, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.
Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn Sie mehrere Vollkreise um das Objekt herum machen und dabei systematisch Aufnahmen in verschiedenen Abständen machen.
Bei größeren Objekten oder Szenen, die nicht eingekreist werden können – zum Beispiel die Fassade eines Gebäudes – kann die Kamera entlang einer geraden Linie parallel zur Fassade des Gebäudes bewegt werden. Um die gesamte Szene zu erfassen, sind unter Umständen mehrere Schwenks erforderlich.
SCHLÜSSELGEDANKE
Bei der Photogrammetrie wird der Prozess der Fotografie umgekehrt. Durch die Betrachtung mehrerer Bilder und die Anwendung von Prinzipien der geometrischen Perspektive können wir aus 2D-Daten ein 3D-Modell erstellen.
Bei der Luftbildphotogrammetrie wird die Kamera auf einem Luftfahrzeug, z. B. einer Drohne, montiert und nach unten gerichtet. Wenn Sie auch die Seiten von vertikalen Objekten wie Gebäuden oder Bäumen erfassen möchten, kann es sinnvoll sein, die Kamera etwas anzuwinkeln, um diese Oberflächen angemessen zu erfassen. Auch hier ist Konsistenz der Schlüssel.
Arten photogrammetrischer Algorithmen
In vielerlei Hinsicht funktioniert die Photogrammetrie wie das menschliche Sehvermögen. Jedes unserer Augen nimmt ständig überlappende Bilder auf, die wir zur Wahrnehmung von Tiefe und Entfernung verwenden. Damit die Photogrammetrie gut funktioniert, benötigen wir eine Reihe von gut aufgenommenen Fotos mit ausreichenden Informationen über die Szene, um die erforderlichen Daten zu extrapolieren.
Anders als der Mensch kann sich die Photogrammetrie jedoch nicht den Luxus leisten, eine unbegrenzte Anzahl von Bildern aufzunehmen. Die Anzahl der Bilder, die erforderlich ist, um die benötigten Informationen zu gewinnen, hängt von der Größe und Komplexität des Objekts oder der Szene und, was vielleicht noch wichtiger ist, von den Anforderungen des Projekts ab.
Während die der Photogrammetrie zugrundeliegenden Konzepte dieselben bleiben, lassen sich die Algorithmen je nach Projektanforderungen in zwei große Kategorien einteilen.
Photogrammetrie für Ingenieure
Wenn Sie ein Ingenieur sind, der ein Modell von einem Objekt zur Qualitätskontrolle, Reverse Engineering oder was auch immer erstellt, benötigen Sie nicht unbedingt jedes einzelne Pixel des Bildes. Um zum Beispiel eine gerade Linie zu zeichnen, müssen Sie nur die Positionen von zwei Punkten kennen.
Dies ist das Konzept hinter der so genannten metrischen Photogrammetrie. Bei diesem Zweig der Photogrammetrie liegt der Schwerpunkt auf der Präzision. Es geht darum, aus Fotos präzise Messungen und Berechnungen zu erhalten, indem die relativen Positionen bestimmter relevanter Punkte in Bildern so genau wie möglich bestimmt werden.
Bei der metrischen Photogrammetrie extrahiert der Algorithmus ein Modell auf der Grundlage einer Reihe von relevanten Punkten. Das Ziel ist Präzision, nicht die Erfassung jeder einzelnen Oberfläche.
Daher platzieren die Ingenieure Zielmarken, die der Algorithmus erkennen soll, in den für sie relevanten Bereichen. Der Algorithmus verwendet die Zielmarken, um ein Modell zu erstellen. Das Ergebnis ist eine Art Skelett der relevanten Punkte und nicht eine dichte Punktwolke aller Oberflächen.
Zielmarken werden auf das Objekt geklebt, um das Identifizieren und Ausrichten von sich überschneidenden Bereichen zwischen Bildern zu erleichtern.
Diese Zielmarken definieren die Größe, Form und Position der Merkmale eines Objekts, wobei der Schwerpunkt auf der Genauigkeit liegt. Die Punkte können zuverlässig verwendet werden, um Entfernungen, Flächen und sogar Parameter wie die Höhe für die Erstellung einer topografischen Karte oder Volumen und Querschnitte für andere technische Zwecke zu berechnen.
Photogrammetrie für die 3D-Farbmodellierung
Im Gegensatz dazu sind für die Entwicklung von Spielen, CGI in Filmen oder die Erhaltung von Kulturgütern naturgetreue Renderings von realen Objekten erforderlich. In der Regel gilt: Je mehr Pixel und Details Sie in das Modell packen können, desto besser. Experten, die in diesen Branchen tätig sind, verfügen in der Regel über die beste Fotoausrüstung und sind daher auch für die Photogrammetrie bestens gerüstet.
Erkennen Sie die Unterschiede: 3D-Modell aus der Fotogrammetrie (links) neben dem von Artec Leo – einem Scanner, der auch Texturen erfassen kann – erstellten Modell.
Der Nachteil besteht darin, dass die endgültige Form des Modells in der Regel unvollkommen ist. Der durchschnittliche 3D-Scanner bekommen zuweilen Probleme mit glänzenden, transparenten oder schwarzen Oberflächen, doch bei der Photogrammetrie ist die Anzahl der Artefakte und das Rauschen, mit dem man zwangsläufig zu kämpfen hat, wesentlich größer. Das Ergebnis ist ein Modell mit hochauflösender Textur, aber auch mit viel Rauschen und unvollkommener Geometrie.
Geometrie aus einem 3D-Scanner kombiniert mit Textur aus einer Kamera, um ein realistisches und genaues Modell zu erstellen.
Bei dieser Art von Projekten ist es besser, Photogrammetrie mit einem 3D-Scanner zu kombinieren, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Dies wird im Abschnitt über die Kombination von 3D-Scannern und Photogrammetrie näher erläutert.
SCHLÜSSELGEDANKE
Es gibt zwei Zweige der Photogrammetrie: Messverfahren, die typischerweise in der Technikbranche eingesetzt werden, und Vollfarbvisualisierung, die darauf abzielt, außergewöhnlich naturgetreue, CGI-fähige 3D-Modelle von realen Objekten zu erstellen.
Photogrammetrie-Hardware
Neben Zielmarken und Maßstabsleisten, die wir bereits behandelt haben, spielt die Fotoausrüstung eine wichtige Rolle.
Die Ergebnisse der Photogrammetrie hängen vollständig von den verwendeten Bildern ab. Faktoren wie Auflösung, Beleuchtung und Schärfentiefe spielen eine entscheidende Rolle für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen des resultierenden Modells. Detaillierte, klare Bilder sind unerlässlich.
Obwohl es leicht ist, sich im Fundus der fotografischen Ausrüstung zu verlieren, gibt es einige nützliche Voraussetzungen. Fotografen, oder jeder, der sich mit einer Kamera auskennt, hat schon einmal einen Vorteil. Oder: Wenn Begriffe wie Brennweite und Blende Teil Ihrer Arbeit oder Ihres Hobbys sind, haben Sie bereits einige Schritte getan. Sie können die folgenden Abschnitte überspringen und zu den Anwendungen der Photogrammetrie übergehen.
Sensoren
Kameras gibt es in allen Formen und Größen, von Handykameras über CCTV und GoPros bis hin zu vollwertigen professionellen Videoausrüstungen. Inwieweit sie jeweils für Ihr Projekt geeignet sind, hängt von der Sensorgröße ab.
Ein Sensor ist für eine Kamera das, was die Netzhaut für das menschliche Auge ist. Er zeichnet das Bild auf, das durch das Objektiv kommt, und bestimmt, wie viele Details Sie tatsächlich einfangen können. Je größer der Sensor, desto mehr Punkte werden erfasst, was sich schließlich in einem höheren Detailgrad niederschlägt.
Der Sensor in einer Kamera zeichnet das Bild auf, das durch das Objektiv kommt, und bestimmt, wie viele Pixel Ihre Bilder haben.
Während eine kleine Point-and-Shoot-Kamera unter den richtigen Lichtverhältnissen eine passable Leistung erbringen kann, würde eine hochwertige DSLR mit einem Vollformatsensor (der manchmal bis zu 30 Mal so groß ist wie der Point-and-Shoot-Sensor) viel mehr Pixel und damit eine viel bessere Auflösung für das 3D-Modell liefern.
Die Sensorgröße wirkt sich auch auf den so genannten Crop-Faktor aus. Ein ähnliches Objektiv auf zwei verschiedenen Sensoren erfasst unterschiedliche Teile der Szene, da ein kleinerer Sensor weniger „sehen“ kann, während ein größerer Sensor in jedem Foto mehr von der Szene abdeckt.
Objektive
Das Objektiv ist das nächste wichtige Teil des Puzzles. Es bündelt das Licht und fokussiert es auf den Sensor der Kamera. Es bestimmt die Schärfe, die Belichtung, den Vergrößerungsfaktor und wie groß oder klein der Blickwinkel auf dem Bild ist.
Das Objektiv bricht das Licht und fokussiert es auf den Sensor der Kamera. Es hat einen direkten Einfluss auf die Qualität Ihrer Bilder.
Das Objektiv besteht aus einem gebogenen Glasstück an einem Ende und einer Blende (die größenveränderbare Öffnung, durch die das Licht in die Kamera fällt) am anderen Ende. Das Bild wird aufgenommen, wenn sich der Verschluss der Kamera öffnet und schließt und kurzzeitig Licht durch die Blende des Objektivs auf den Sensor fallen lässt. Alle diese Elemente bestimmen die Eigenschaften des Bildes und sind daher wichtige Faktoren in der Photogrammetrie.
Brennweite
Die Brennweite ist der optische Abstand in Millimetern zwischen dem Sensor der Kamera und dem Punkt im Objektiv, an dem die Lichtstrahlen zusammenlaufen. Die Brennweite bestimmt den Bildwinkel und die Vergrößerung. Eine kleinere Zahl (eine kürzere Brennweite) bedeutet ein größeres Sichtfeld und eine geringere Vergrößerung, so dass die Kamera mehr von der Szene erfassen kann. In der Fotogrammetrie haben Sie normalerweise eine feste Brennweite.
Die Brennweite des Objektivs bestimmt den Vergrößerungsfaktor und das Sichtfeld – also wie viel von der Szene aufgenommen werden kann.
Blende
Dies ist ein Wert, der in Blendenstufen ausgedrückt wird und angibt, wie weit sich die Blende des Objektivs öffnet, um Licht in die Kamera zu lassen. Jede Blendenstufe verdoppelt die Lichtmenge, die in die Kamera gelangt. Verwirrenderweise bedeutet eine große Zahl, wie z. B. f-32, eine kleine Öffnung, und eine kleine Zahl bedeutet eine weit geöffnete Blende.
Die Blende bestimmt direkt die Schärfentiefe, d. h. wie viel von der Szene im Fokus ist. Bei einer großen Blendenöffnung wird nur ein kleiner Teil des Bildes scharf abgebildet, während der Rest unscharf bleibt. Das kann zum Beispiel in der Porträtfotografie gut aussehen, wenn das Motiv gestochen scharf ist und der Hintergrund unscharfes bleibt. Diese Art der Unschärfe wird als Fokusunschärfe bezeichnet.
Die Blende bestimmt die Schärfentiefe – also wie viel von der Szene scharf abgebildet wird.
Bei der Fotogrammetrie sollte so viel wie möglich von einem Motivs im Fokus bleiben. Unscharfe Bilder erschweren das Zusammenfügen der Bilder.
Das ist eine zugleich gute Überleitung zu der anderen Art von Unschärfe – der Bewegungsunschärfe.
Verschlusszeit und Bewegungsunschärfe
Die Verschlusszeit gibt an, wie lange der Verschluss der Kamera geöffnet bleibt und das Licht auf den Sensor fallen lässt. Sie wird in der Regel in Bruchteilen einer Sekunde angegeben. Die Verschlusszeit hat nicht nur Einfluss darauf, wie viel Licht auf den Sensor fällt, sondern steht auch in direktem Zusammenhang mit der Bewegungsunschärfe.
Wenn sich das Motiv oder die Kamera bewegt, während der Verschluss geöffnet ist, wird das Bild unscharf. Ein gutes Beispiel für diesen Effekt ist die Aufnahme eines schwebenden Hubschraubers, bei der eine ausreichend kurze Verschlusszeit die Bewegung der Rotorblätter einfriert, während eine längere Verschlusszeit die Bewegung so verwischt, dass die Blätter nicht mehr sichtbar sind.
Wenn Sie aus der Hand fotografieren, sollten Sie eine ausreichend kurze Verschlusszeit wählen, um die leichten Bewegungen Ihrer Hände beim Halten der Kamera auszugleichen. Alternativ können Sie auch ein Stativ verwenden, um sicherzustellen, dass die Kamera völlig ruhig bleibt.
Die Verschlusszeit bestimmt die Bewegungsunschärfe. Eine kürzere Verschlusszeit friert die Bewegung ein, während eine langsamere sie verwischt.
Letztendlich müssen alle diese Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass Sie mit der Photogrammetrie die bestmöglichen Ergebnisse erzielen.
SCHLÜSSELPUNKT
Da die Photogrammetrie von der Qualität der verwendeten Bilder abhängt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Fotografiekonzepte stimmen. Die Bildauflösung, verschiedene Objektiveigenschaften und Kameraeinstellungen wie Brennweite, Verschlusszeit und andere spielen eine entscheidende Rolle.
Anwendungen der Photogrammetrie
Die Photogrammetrie ist nicht nur wegen ihrer Vielseitigkeit und des Kostenfaktors beliebt, sondern auch wegen ihrer Wirksamkeit über große Entfernungen. Wir werfen nun einen Blick auf einige der häufigsten Anwendungen.
Große technische Projekte
Die Luftbildphotogrammetrie wird von Ingenieuren häufig bei großen Bauprojekten eingesetzt.
Aufgrund ihrer Genauigkeit beim Scannen über große Entfernungen wird die Photogrammetrie von Ingenieuren mit Drohnen oder Flugzeugen zur Planung und Bewertung großer Bauprojekte eingesetzt – zum Beispiel bei der Planung und Gestaltung von Autobahnen. Daten aus der metrischen Photogrammetrie können zur Berechnung von Erdarbeiten verwendet werden und liefern den Bauingenieuren wichtige Hinweise auf das Gelände. Auch bei der Bewertung des Projektfortschritts ist Photogrammetrie unverzichtbar, da sie im Laufe der Zeit Schritt für Schritt 3D-Renderings liefert.
Film und Unterhaltung
Mit Hilfe der Photogrammetrie konnte die Spiele- und Filmindustrie ihre Fähigkeit verbessern, realistisch wirkende Umgebungen zu schaffen. Durch die Kombination von Photogrammetrie und 3D-Scannern können Filmemacher Sets aus genauen 3D-Scanmodellen erstellen, die mit Farbinformationen aus der Photogrammetrie überlagert werden. Spieledesigner sind ebenfalls in der Lage, glaubwürdige, hochwertige Objekte und realistische Umgebungen zu erstellen.
Forensik
Die Photogrammetrie spielt eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von Tatorten und in der Forensik.
Die metrische Photogrammetrie spielt auch in der Forensik und der Tatortuntersuchung eine wichtige Rolle. In vielen Fällen sind es die kleinen Details, die den Unterschied ausmachen. Die genaue Erfassung eines Tatorts oder eines Unfalls mit präzisen Messungen kann nicht nur in Gerichtsverfahren von entscheidender Bedeutung sein, sondern – was vielleicht noch wichtiger ist – die Sicherheit in der bebauten Umwelt erhöhen.
Ein Beispiel: Durch die Analyse von Reifenspuren in einem Bild einer Straßenoberfläche konnten die Ermittler feststellen, ob die Bremsspuren mit den Abmessungen des Autos einer Frau übereinstimmten und in welcher Position es sich auf der Straße im Verhältnis zu einem zweiten Fahrzeug befand, das ihr Auto rammte und sie schwer verletzte. Die metrische Photogrammetrie erwies sich als entscheidend für die Klärung widersprüchlicher Angaben über die Position der beiden Fahrzeuge zum Zeitpunkt des Unfalls.
Landvermessung
Die Luftbildphotogrammetrie wird häufig in städtischen Gemeinden und von Bauingenieuren zur Landvermessung eingesetzt.
Metrische Photogrammetrie wird auch von Bautrupps, Architekten und Gemeinden zur Bestimmung von Grundstücksgrenzen, zur Planung von Bauprojekten oder zur Datenanalyse verwendet. Auch Satellitenbilder liefern diese Informationen, doch die Luftbildphotogrammetrie bietet oft eine bessere Genauigkeit für bestimmte Bereiche.
Photogrammetrie in der Immobilienwirtschaft
Die Photogrammetrie wird auch eingesetzt, um virtuelle Modelle von Häusern, die von potenziellen Eigentümern besichtigt werden können, zu erstellen. Viele Käufer verlassen sich bereits auf Online-Angebote, um ihre Kaufentscheidung zu treffen. Und nun hat ein durch den Klimawandel bedingter Kulturwandel wahrscheinlich die Verlagerung vieler Immobiliengeschäfte ins Internet noch einmal beschleunigt. Die moderne Photogrammetrie ermöglicht es Immobilienagenturen, zu einem Bruchteil der Kosten ein virtuelles Erlebnis der von ihnen inserierten Häuser zu schaffen.
Kartierung
Mit Hilfe von Fotos, die mit Drohnen, Flugzeugen oder Satelliten aufgenommen wurden, kann die Photogrammetrie zur 3D-Kartierung von Landschaften eingesetzt werden. Mit hochauflösenden Bildern, die von Flugzeugen oder Tauchfahrzeugen aus aufgenommen werden, lassen sich Modelle von schwer zugänglichen Gebieten – auch unter Wasser – in wesentlich kürzerer Zeit erstellen.
Fotos, die von Drohnen, Flugzeugen oder Satelliten aus aufgenommen wurden, wurden zur 3D-Kartierung des Geländes verwendet
Google Earth ist das bisher ehrgeizigste Projekt, bei dem die Photogrammetrie zur Erstellung genauer Bilder der Erdoberfläche eingesetzt wurde. Google verwendet Milliarden von Bildern aus verschiedenen Quellen – Street View, Luft- und Satellitenbilder –, die sämtlich zusammengefügt werden, um Details über ein Gebiet zu zeigen, einschließlich genauer Abstände zwischen Objekten wie Straßen, Fahrbahnmarkierungen, Gebäuden und Flüssen.
Archäologie
In der Archäologie ist die Fähigkeit, ein Gebiet zu kartieren und den Aufbau und die Struktur einer Stätte zu verstehen, absolut unerlässlich. Metrische Photogrammetrie bietet Archäologen die Möglichkeit, ein Gebiet zu kartieren und interessante Artefakte schnell und genau zu erfassen. Die Möglichkeit, die 3D-Renderings gemeinsam zu nutzen, erleichtert auch die Zusammenarbeit mit anderen Archäologen, die nicht vor Ort sind.
Eine der häufigsten Anwendungen der Photogrammetrie ist der Kulturgüterschutz.
SCHLÜSSELGEDANKE
Die Photogrammetrie wird in einer Vielzahl von Szenarien in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt. Sie wird hauptsächlich in Situationen verwendet, die mit Messungen zu tun haben, oder um reale Objekte zu modellieren.
Wann sollte man Photogrammetrie nicht verwenden?
Bei der Entscheidung für oder gegen die Photogrammetrie gibt es einige Fallstricke zu beachten. Kurz gesagt, die Überlegungen, die es abzuwägen gilt, basieren auf den Anforderungen des Projekts.
Metrische Photogrammetrie ohne Spezialausrüstung
Wenn Ihr Ziel darin besteht, genaue Messungen durchzuführen, und Farbinformationen keine Priorität haben, sollten Sie die Photogrammetrie nur dann einsetzen, wenn Sie über eine gute Photogrammetrie-Ausrüstung verfügen, die speziell für messtechnische Anwendungen entwickelt wurde – wie die High-End-Photogrammetriesysteme von Hexagon. Diese werden mit einer Digitalkamera, einem Satz Zielmarken und genau kalibrierten Maßstabsleisten geliefert, um sicherzustellen, dass Sie für Ihre Aufgabe vollständig ausgerüstet sind.
Ein komplettes Photogrammetrie-Kit, das speziell für Messanwendungen entwickelt wurde.
Beachten Sie jedoch, dass auch ein solcher Komplettsatz trotz seiner Genauigkeit im Vergleich zu einem guten 3D-Scanner eine eher spärliche Punktwolke erzeugt.
Hohe Genauigkeit mit einer dichten Punktwolke
Wenn Sie also sowohl eine dichte Punktwolke als auch eine hohe Genauigkeit benötigen, ist ein Scanner wie Artec Eva, der bis zu zwei Millionen Punkte pro Sekunde erfassen und gleichzeitig verarbeiten kann, mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm die weitaus bessere Wahl.
Mit seiner auf strukturierten Licht basierenden Abtastungstechnologie erfasst Eva Objekte fast aller Art, einschließlich Objekte mit schwarzen und glänzenden Oberflächen, ohne dass Zielmarken erforderlich sind, was ihn zu einer hervorragenden Allround-Lösung macht.
Farb- und Texturdaten ohne High-End-Kamera
Wenn Ihre Anforderungen an die Photogrammetrie jedoch nicht messtechnischer Natur sind und Sie die Photogrammetrie hauptsächlich zur Erfassung von Texturen einsetzen, sollten Sie zunächst sicherstellen, dass die Kameraausrüstung, die Sie für die Photogrammetrie verwenden, eine bessere Qualität liefert als ein Scanner wie Artec Space Spider oder Artec Leo – beides Scanner, die Texturen erfassen.
Wenn Sie Photogrammetrie zur Erfassung von Texturen verwenden, so stellen Sie sicher, dass die von Ihnen verwendete Kamera eine bessere Qualität liefert als ein Scanner, der Texturen erfasst, wie etwa Artec Space Spider oder Artec Leo.
Film- und Spieleentwickler besitzen in der Regel eine High-End-Fotoausrüstung. Mit einer solchen Spezialausrüstung lassen sich extrem hochwertige Bilder erzeugen, die höchstwahrscheinlich die Textur einer durchschnittlichen 3D-Scannerkamera übertreffen.
Allerdings arbeitet diese Art der Photogrammetrie nicht mit Zielmarken und ist daher anfällig für Ungenauigkeiten. Selbst bei einer hochwertigen Kamera ist es daher ratsam, sie zusammen mit einem professionellen 3D-Scanner zu verwenden, der ein genaues Modell erstellt, das mit der Textur kombiniert werden kann. Alle Artec 3D-Scanner sind in der Lage, ohne Zielmarken zu scannen und eignen sich daher hervorragend für die Kombination mit dieser Art der Photogrammetrie.
Allgemeine Nachteile der Photogrammetrie
Die Nachteile der Photogrammetrie bestehen darin, dass sie zeitaufwändig ist, ein hohes Maß an Fachwissen erfordert und selbst dann möglicherweise nicht die gewünschten Ergebnisse liefert – wenn die Bedingungen nicht stimmen. Sie müssen möglicherweise Dutzende – manchmal Hunderte – von Fotos einzeln aufnehmen und dabei sicherstellen, dass jedes Bild von ausreichend hoher Qualität ist und sich die Bilder ausreichend überlappen.
Wenn Sie sich nicht die Mühe gemacht haben, die Szene mit kontrollierter Beleuchtung vorzubereiten, müssen Sie auch sicherstellen, dass sich die Lichtverhältnisse von einem Foto zum nächsten nicht dramatisch ändern. Ein Schatten, der zum Beispiel in einem Bild auf Ihr Objekt fällt, wird auch im endgültigen Modell zu sehen sein.
Für die Photogrammetrie ist eine gleichmäßige und angemessene Beleuchtung erforderlich, daher müssen Sie Ihre Szene entsprechend planen und vorbereiten.
Im Gegensatz dazu erzeugen die meisten handgeführten 3D-Scanner ihr eigenes Licht und beleuchten das Motiv während des Scans. Wenn Ihr Ziel also nicht darin besteht, eine qualitativ besonders hochwertige Textur aus Ihrem Scan zu erhalten, müssen Sie sich nicht halb so viele Gedanken über das Licht machen wie bei der Photogrammetrie. Bei handgeführten 3D-Scannern ist vergleichsweise wenig Vorbereitung erforderlich, um eine Szene zu scannen.
SCHLÜSSELGEDANKE
Im Allgemeinen ist es besser, einen 3D-Scanner zu verwenden, wenn Sie eine dichte Punktwolke benötigen, die sehr genau ist. Die Photogrammetrie eignet sich gut, wenn Sie eine fotorealistische Textur wünschen und eine gute Kamera haben - besser als die eines 3D-Scanners. Verwenden Sie die Photogrammetrie für Messzwecke nur, wenn Sie über eine professionelle Ausrüstung verfügen und mit einer spärlichen Punktwolke zufrieden sind.
Ein Scanner wie Artec Leo ist mit einem Touchscreen ausgestattet, der während des Scannens ein Echtzeitabbild erstellt und so ein vollständig mobiles Scan-Erlebnis bietet. Das Gerät verfügt über eine integrierte automatische Verarbeitung, einen eingebauten Akku sowie eine drahtlose Verbindung, die das Streaming auf ein zweites Gerät ermöglicht. Mit Artec Leo ist das Scannen also nicht viel anders als das Aufnehmen von Videos.
Allerdings hat die Photogrammetrie auch ihre Vorteile: Sie kann im Vergleich zum 3D-Scannen zu geringeren Kosten durchgeführt werden. Sie eignet sich auch gut, wenn Sie einen großen Bereich scannen, in der Regel von mehr als ein paar Metern.
Kombination von Photogrammetrie und 3D-Scannen
Langer Rede kurzer Sinn: Wenn die Textur zweitrangig und es wichtiger ist, dichte Punktwolken mit minimalem Rauschen und sehr hoher Genauigkeit zu erzeugen, ist 3D-Scannen der richtige Weg. Die besten 3D-Scanner bieten eine extrem schnelle Scanfunktion, automatische Verarbeitung und eine 3D-Punktgenauigkeit von bis zu Bruchteilen eines Millimeters.
Wenn Ihr Projekt jedoch naturgetreue Texturen und lebensechte Modelle erfordert und Sie über eine erstklassige Fotoausrüstung verfügen, sollten Sie sich für die Photogrammetrie entscheiden. Allerdings müssen Sie bei der Photogrammetrie für Texturen mit einer unvollkommenen Geometrie auskommen. Denn wenn Sie eine Textur wollen, benötigen Sie mehr Bilder, und diese werden ohne Zielmarken aufgenommen. Das bringt eine Menge Rauschen und Fremdkörper mit sich sowie unweigerlich Abstriche in der Genauigkeit.
Wenn Sie naturgetreue Texturen und Modelle benötigen und über eine professionelle Ausrüstung verfügen, ist die Photogrammetrie eine gute Lösung – auch wenn sie nicht die geometrische Genauigkeit eines 3D-Scanners bietet.
Sie können dennoch das Beste aus beiden Welten nutzen, indem Sie die Photogrammetrie mit 3D-Scandaten kombinieren. Diese Technik wird im folgenden Video demonstriert, in dem die Photogrammetrie mit Artec Eva verwendet wurde, um dieses atemberaubendeModell eines Autoszu erstellen.
Geometrische Daten aus einem 3D-Scanner können mit Texturen aus einer High-End-Kamera kombiniert werden, um ein hochpräzises Rendering zu erstellen.
Oder nehmen Sie zum Beispiel diesesatemberaubende Rendering eines Laufschuhs, das mit einem handgeführten Artec Space Spider aufgenommen wurde. Das endgültige Modell wurde aus über 300 Bildern zusammengesetzt und mit den gescannten Daten kombiniert. Die Farben sind brillant, und die Detailgenauigkeit ist einfach hervorragend.
Die Kombination beider Verfahren ergibt die optimale Lösung, die selbst von den wählerischsten Fachleuten bevorzugt wird. So wurden beispielsweise die Bilder einer Reihe von Kameras, die um Präsident Barack Obama herum aufgestellt waren, mit den gescannten Daten von Artec Eva kombiniert, um das erste 3D-Porträt eines US-Präsidenten zu erstellen.
Die Kameras lieferten detaillierte und reichhaltige Texturen, während die Genauigkeit des 3D-Scanners eine Struktur mit minimalem Rauschen erzeugte, auf die dann die Textur aufgetragen wurde.
SCHLÜSSELGEDANKE
Die Verwendung einer High-End-Kamera für die Textur und eines professionellen 3D-Scanners für die geometrischen Daten sowie die anschließende Kombination der beiden mit einer Software wie Artec Studio führt zu den besten Ergebnissen: beeindruckende Texturen und rauscharme, äußerst präzise geometrische Daten.
Photogrammetrie-Software
Auf dem Markt gibt es eine große Auswahl an Photogrammetrie-Software. Mit ein wenig Recherche können Sie alles finden – von kostenlosen Anwendungen bis hin zu Softwarepaketen, die Tausende von Dollar kosten. Auch hier kommt es darauf an, welche Anforderungen Sie haben und welche Ressourcen Ihnen zur Verfügung stehen.
Wenn Sie gerade erst mit der Photogrammetrie beginnen, ist es vielleicht eine gute Idee, mit kostenlosen Lösungen wie 3DF Zephyr, Meshroom oder Visual SFM zu beginnen. Diese bieten jedoch nur einen begrenzten Funktionsumfang und können langsamer sein oder weniger genaue Ergebnisse liefern. Möglicherweise müssen Sie auch zusätzliche Plug-ins installieren, um etwa texturierte Netze mit Farben erstellen zu können.
Wenn Sie mehr Funktionen benötigen, können Sie sich für umfangreichere Optionen wie Elcovision, iWitness oder Photomodeler entscheiden. MetaShape, Pix4D und Reality Capture sind ebenfalls beliebte Optionen.
Für diejenigen, die Photogrammetrie für die Metrologie verwenden, bietet ein Paket wie Aicon 3D Studio von Hexagon intelligente und leistungsstarke Werkzeuge. Die Software bietet auch die Möglichkeit, über ein Plugin eine Schnittstelle zu PolyWorks herzustellen. PolyWorks unterstützt ein umfangreiches Spektrum an 3D-Messfunktionen und sollte für die meisten Aufgaben in industriellen Fertigungsunternehmen ausreichen.
Für CGI-Profis oder alle, die in Bezug auf Geometrie- und Texturqualität nur das Beste wollen, bietet Artec Studio 16 einen einfachen Arbeitsablauf, mit dem Sie sowohl eine perfekte Geometrie als auch eine hervorragende Texturqualität erzielen können. Die Software wurde überarbeitet, so dass das Mapping von Texturen auf Polygonnetz-Daten von einem 3D-Scanner nahtlos erfolgt.
Die preisgekrönten 3D-Scanner von Artec sind in der Lage, extrem genaue Scans zu erstellen. Sie erreichen branchenweit führende Werte wie eine Genauigkeit von bis zu 0,05 mm bei Artec Space Spider, einem der handgeführten Modelle, und eine noch höhere Präzision von bis zu 10 Mikrometern beim Artec Micro – einem Desktop-Scanner.
Mit den leistungsstarken Funktionen von Artec Studio 16 können Sie pixelgenaue Fotos von einer hochauflösenden Kamera automatisch mit 3D-Scans von präzisen Scannern in messtechnischer Qualität abgleichen und unglaublich realistische 3D-Modelle erstellen.
