Was ist bei der Fotografie zu beachten?

Maßgeblich für das Gelingen der Photogrammetrie zur Rekonstruktion von 3D Modellen, ist das Einhalten gewisser Grundsätze. Eine Übersicht über die wichtigsten Prinzipien wird in diesem Abschnitt intensiv behandelt und an an zahlreichen Beispielen gezeigt.

Grundlagen - Photogrammetrie

Beim Verfahren der Photogrammetrie werden markante Punkte in mehreren Bildern durch eine Software erkannt. Aus der relativen Position dieser Punkte zueinander kann die entsprechende Aufnahmeposition der Kamera(s) berechnet werden. Umso mehr gemeinsame Punkte in mehreren Bildern auftreten, umso genauer kann diese Position bestimmt werden. Im nächsten Schritt wird ausgehend von diesen Perspektiven die Tiefeninformation der einzelnen Punkte trianguliert. Dafür muss jeder Punkt in mindestens zwei verschiedenen Fotos sichtbar sein. Für die Erkennung der markanten Punkte nutzen die unterschiedlichen Softwarelösungen verschiedene mathematische Methoden und liefern daher teils deutlich unterschiedliche Qualitäten und Rechenzeiten.

Es ist essentiell, dass die Oberfläche des zu scannenden Objekts möglichst viele verschiedene Features, d.h. verschiedenartige Bildpunkte enthält (unterschiedliche Farbe, Sättigung, Helligkeit). Diese müssen aber zumindest so groß und deutlich sein, dass sie aus mehreren Perspektiven wiedererkannt werden können. In der Darstellung wurde ein Kristallglas komplett mit Kreidespray beschichtet. Dabei wurde eine weiße Grundierung verwendet. Diese allein genügt jedoch nicht, da die Oberfläche nicht genug wiedererkennbare Merkmale aufweist. Aus diesem Grund wurden mit roter Sprühfarbe weitere Details erzeugt.

Der im ersten Bild markierte Ausschnitt wurde vergrößert und ein Hilfsdreieck zwischen drei, für das menschliche Auge markanten Punkten, eingezeichnet. Nur bei genauem Hinsehen ist es möglich, diese Punkte (das Dreieck) in den folgenden zwei Bildern wiederzuerkennen. Auf diesen wurde das Glas in eine Richtung gedreht. Doch in welche? Und um welchen Winkel?

Für das menschliche Gehirn ist es bereits schwierig auf den Bildausschnitten die Linksdrehung des Objektes nachvollziehen zu können, geschweige denn eine Aussage über den Winkel zu treffen.

Mit entsprechenden mathematischen Methoden ist dies jedoch ein lösbares Problem. Im letzten Bild wurden nur die Dreiecke dargestellt aus dessen Seitenlängen sich über gewisse mathematische Umwege sehr grob die Position der Kamera bestimmen lässt und sich im zweiten Schritt die genauen Koordinaten der Punkte berechnen lassen.

Für eine möglichst genaue Positionsbestimmung benötigt die Software möglichst viele dieser Dreiecke, somit sollte die Oberfläche des Objektes viele wiedererkennbare Feature besitzen.

Zusammenfassung: Bei der Photogrammetrie wird die Oberfläche eines Objektes durch sehr viele, sehr kleine Dreiecke angenähert. Dafür müssen auf der Oberfläche möglichst viele Merkmale sichtbar und auf verschiedenen Bildern wiedererkennbar sein, Widersprüche sollten dabei vermieden werden.

Das Scanobjekt

Negativbeispiele

Wie bereits oben dargestellt, ist die Beschaffenheit des zu scannenden Objektes und eine entsprechende Vorbereitung ausschlaggebend für den Erfolg des 3D Scans mittels Photogrammetrie.

Folgende Schwierigkeitsabstufung liefert eine grobe Orientierung, wobei jedes Scanobjekt eine individuelle und neue Herausforderung darstellt:

einfach - ohne nennenswerte Vorbereitung zu scannen

  • "natürliche" Oberflächen

  • Stein​

  • Beton

  • Holz

  • Textilien*

mittel - einfache Vorbereitung, eventuell Anpassung des Scanprozesses

  • glatte/reflektierende Oberflächen

  • Plastik

  • Metall

  • Glas

herausfordernd - umfangreiche Vorbereitung sowie individuelle Scanprozesse notwendig

  • Menschen

  • Gebäude

  • komplexe Geometrien

  • sehr leicht bewegliche Objekte

Darüber hinaus ist es sinnvoll Objekte nach ihrer Größe und Handhabbarkeit zu unterscheiden. Ist ein Objekt fest installiert oder groß, entfallen gewisse Aufnahmemöglichkeiten. Handelt es sich hingegen um ein lebendiges oder zumindest bewegbares Objekt, ist darauf zu achten, dass während der Aufnahme die Position nicht verändert wird, dies gilt bei Personen selbst für einzelne Haarsträhnen, oder bei Kleidung für Falten.

Zusammenfassung: Als perfektes Übungsobjekt kann ein einfacher Stein oder ein Stück Holz dienen. Besonders die Themen Beleuchtung, Anzahl der Aufnahmen, Hintergrundwahl und Masking (siehe weiter unten) können daran sehr gut geübt werden. Gerade für den Anfang reichen eine Hand voll Bilder, um ein Gefühl für den Prozess zu bekommen, sowie die Software kennenzulernen.

 

Grundlagen - Fotografie

Das Herzstück der Photogrammetrie ist die Kamera und noch wichtiger: der Mensch am Auslöser.

Zum Thema Kamerawahl und Fotografie gibt es nicht umsonst unzählige (Fach)literatur. Ich möchte an dieser Stelle auf eine ausführliche Beschreibung verschiedener Kameratechniken und Vor- und Nachteile einzelner Modelle verzichten. Wenn der hier beschrieben Workflow und die Grundprinzipien eingehalten werden, können selbst mit einer preiswerten Kamera (z.B. Fujifilm Finepix S100FS für ca. 100€) oder mit einem alten Iphone 4S hervorragende Ergebnisse erzielt werden. Alle auf der Homepage abgebildeten Scans wurden mit diesen Geräten erstellt. Die Fuji S100FS bietet ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis. Die Bedienung ist sehr intuitiv und übersichtlich. Darüber hinaus zeichnet sich die Kamera durch einen hervorragenden Makro-Modus aus, welcher besonders für kleine Objekte und Detailtreue essentiell ist.

Jeder Anwender muss für sich entscheiden, welche Aufnahmetechnik für seinen individuellen Einsatzzweck die Beste ist. Die Wahl der Kamera + ggfs. Objektiv hängt sehr stark von der Art der zu scannenden Objekte ab. Nicht zu vernachlässigen ist außerdem die Erfahrung, die der jeweilige Nutzer mitbringt. Es bringt meines Erachtens nach nichts, wenn ein Neuling der Photogrammetrie eine 2000€ Kamera kauft und diese nicht zweckmäßig einsetzen kann. Daher ist es ratsam mit einem Einsteigermodell, wie obiger Kamera oder dem Smartphone, anzufangen. So kann der grundlegende Workflow erlernt werden, ohne, dass man sich dabei zu sehr mit den Einstellungen der Kamera beschäftigen muss. Hat man die ersten Schritte erfolgreich hinter sich, schadet eine bessere Kamera natürlich nicht.

Im Gegensatz zur "klassischen" Fotografie stellt die Photogrammetrie sehr spezielle Anforderungen, die einzelnen Fotos müssen nicht "schön" sondern eben funktional sein. Daher wird im Folgenden auf ein paar Einstellungsmöglichkeiten eingegangen:

Grundlegende Kameraeinstellungen für die Photogrammetrie

 

Das Ziel der Fotografie besteht darin eine möglichst ausreichende Tiefenschärfe und eine gleichbleibende, einheitliche Belichtung des Objektes darzustellen. Letztendlich unterscheiden sich die Einstellung dafür je nach zu erfassendem Objekt, sodass es keine allgemein gültige Antwort gibt. Vielmehr ist es erforderlich über Erfahrung ein Gefühl dafür zu entwickeln, welche Einstellung im jeweiligen Fall die besten sind. Nichtsdestotrotz sollen an dieser Stelle ein paar Grundlagen aufgezeigt werden.

Belichtung = ISO-Wert + Belichtungszeit + Blende (+Beleuchtung)

Tiefenschärfe = Blende + Brennweite + Distanz

ISO-Wert

 

Der ISO-Wert gibt die Empfindlichkeit des Kamersensors an. Je höher dieser Wert, desto empfindlicher ist zwar der Sensor und die Belichtungszeit sinkt, jedoch wird das Bildrauschen deutlich erhöht, sodass Details verloren gehen. Für die Photogrammetrie ist daher ein möglichst geringer ISO-Wert empfehlenswert.

In der Darstellung sieht man links eine Aufnahme mit ISO-100 und rechts mit ISO-3200, wboei man klar das Rauschen im gesamten Bild erkennen kann.

Belichtungszeit

Die Belichtungszeit gibt an, wie lang der Sensor belichtet wird. Eine kurze Belichtungszeit ist vor allem bei bewegten Objekten zu wählen, wohingegen bei der Photogrammetrie meist lange Belichtungszeiten gewählt werden können. Da mit einer Zunahme der Belichtungszeit die Chance von Verwacklungen steigt, ist es empfehlenswert mit Stativ und Selbst- oder Fernauslöser zu arbeiten.

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Bilder für die Photogrammetrie können generell etwas unterbelichtet sein, da die Software, im Gegensatz zum menschlichen Auge auch dunkle Töne sehr gut unterscheiden kann. Viel schädlicher hingegen sind überbelichtete Bereiche, da dabei Informationen verloren gehen.

Blende

Die Blende steuert, ähnlich wie die Iris im Auge, wie weit das Objektiv geöffnet ist und wieviel Licht in welcher Zeit auf den Sensor trifft. Darüber hinaus beeinflusst die Öffnung der Blende die Tiefenschärfe. Diese gibt den Entfernungsbereich des Objektes von der Kamera an, welcher scharf und klar dargestellt werden kann. Details mit größerer oder geringerer Entfernung werden nur undeutlich und verschwommen dargestellt. Für die Photogrammetrie ist eine kleine Blendenöffnung (bspw. F12) einer großen Blendenöffnung (bspw. F2.8) vorzuziehen, da so eine größere Tiefenschärfe erreicht wird. Der Nachteil ist, dass sich die Belichtungszeit erhöht und eventuell mit einem Stativ und Fernauslöser das Verwackeln verhindert werden muss

Die dargestellten Bilder wurden v.l.n.r mit folgenden Werten aufgenommen:

  1. Distanz 10cm, F3.6, Belichtungszeit 1/3s

  2. Distanz 10cm, F8, Belichtungszeit 1s

  3. Distanz 50cm, F8, Belichtungszeit 2s

Brennweite und Distanz

 

Die Brennweite, oder auch umgangssprachlich der Zoom, gibt an, wie sehr ein Objekt vergrößert wird. Mit steigender Brennweite (höherem Zoom) nimmt die Tiefenschärfe ab. Aus diesem Grund sollte bei der Photogrammetrie eine möglichst geringe Brennweite verwendet werden.

Die Distanz ist das Maß der Entfernung von der Kamera zum Objekt. Mit größerem Abstand steigt die Tiefenschärfe, wobei das Objekt jedoch kleiner und damit mit weniger Details abgebildet wird. Nutzt man dann den Zoom, erhält man zwar eine gewünschte Vergrößerung, verringert jedoch die zuvor gewonnene Tiefenschärfe.

Zusammenfassung

Wie so oft bei der Fotografie muss man eine Balance aus den verschiedenen Parametern finden. Folgende Angaben können als Anhaltspunkt verwendet werden, gelten jedoch nicht in allen Fällen

  • geringer ISO-Wert

  • kleine Blende (großer F-Wert)

  • lange Belichtungszeit

  • Abstimmung von Brennweite + Entfernung für maximale Tiefenschärfe

Negativbeispiele

Beispiel 1 - ungünstige Beleuchtung, wenige Feature

Der dargestellte Schlüssel wurde, in der Großansicht offensichtlich, nach rechts gedreht (bzw. die Kamera nach links bewegt). In der vergrößerten Ansicht sind immer noch einige Details zu erkennen, jedoch ist die Aufnahme suboptimal, da sich die "markanten Punkte" nur um wenige Graustufen unterscheiden. Darüber hinaus erkennt man in der Vergrößerung, dass die Aufnahme nicht scharf genug ist, oder alternativ sich die Details nicht deutlich genug voneinander abheben.

In den Großaufnahmen wird noch ein weiteres Problem deutlich, die Belichtung ist nicht gleichmäßig. In der Rille des Schlüssels erkennt man einen Schatten, welcher auf beiden Bildern unterschiedlich dunkel ist. Dies führt dazu, dass dieser Bereich nur schlecht erkennbare Merkmale aufweist.

Die verwendete Software konnte das Modell zwar rekonstruieren, jedoch kann die Qualität des Scans aufgrund der ungünstigen Aufnahme nur mittelmäßig sein.

Mögliche Verbesserungen:

  • bessere Oberflächenvorbereitung/Kontrast

  • indirektere Beleuchtung

  • farbiger/schwarzer Hintergrund

  • Stativ verwenden (-> höhere Schärfe)

  • Höherer Blendenwert (-> mehr Tiefenschärfe)

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