Einführung in die Photogrammetrie

Es ist fast schon magisch, wenn der Computer aus einem duzend Fotos ein hochauflösendes räumliches 3D Model berechnet. Ganz ohne zu wissen um was es sich handelt und aus welcher Perspektive die Fotos erstellt wurden.

Die Photogrammetrie stützt sich auf eine Hand voll mathematischer Algorithmen. Mit etwas Übung und der richtigen Software kannst auch du beeindruckende 3D Nachbildungen realer Objekte basteln.

Ihren Ursprung hat die Photogrammetrie in der Geländevermessung. Die Technik hat sich mittlerweile jedoch beim 3D-Scanning etabliert, da die Rekonstruktion von realen Objekten, basierend auf Fotografien, extrem hilfreich und zeitsparend ist.

Aus vielen Fotos wird ein 3D Model berechnet

Das Verfahren wird bei Filmen, in Computerspielen, für den 3D Druck und in vielen weiteren Bereichen eingesetzt. Dabei analysiert die Software die einzelnen Fotografien, speichert jeweils markante Punkte und stellt zwischen den jeweilige Fotos die Zusammenhänge her.

Durch diese Rekonstruktion entsteht eine Punktewolke die dann anschließend in ein „wasserdichtes“ 3D Objekt umgewandelt und weiterverwendet werden.

Nicht nur der automatische Aufbau der 3D Form ist hilfreich. Zudem wird aus den Fotografien die Farbinformation übernommen und so eine Textur zusammengestellt, die auf das 3D Model gelegt werden kann. Je nach Geduld, Qualität und Anzahl der Fotos und der Rechenkapazität, können dabei hoch detaillierte 3D Modelle und deren Texturen berechnet werden.

Gerade im Film- und Spielebereich werden zum Beispiel oft Gesichter bzw. ganze Körper von Schauspieler*innen eingescannt und digital umgewandelt. Die präzise Technik rekonstruiert dabei sogar die einzelnen Fältchen im Gesicht der Person. So entsteht z.B. sehr effizient und schnell die Grundlage für ein digitales Stuntdouble.

Nach der automatischen Berechnung des 3D Models sind dann weitere Schritte notwendig. Je Qualität der Umrechnung ist dann nochmal zusätzlich Mühe notwendig um schließlich ein sauberes 3D Objekt zu erhalten. Dies kann dann entsprechend dem Einsatzgebiet weiterverwendet werden.


Reale Orte werden virtuell begehbar

Diese Rekonstruktion realer Objekte und Orte ist für die Entwicklung von VR Erlebnissen besonders spannend. So können zum Beispiel weit entfernte Orte virtuell begangen werden und eine Momentaufnahme für immer festgehalten werden.

Solch dreidimensionale, digitale Rekonstruktionen bringen natürlich eine viel größere Informationsdichte und Interaktionsmöglichkeit mit sich – im Vergleich zu Fotografien oder Videoaufnahmen.

Größenverhältnisse werden unwichtig

Ein spannendes Thema in diesem Bereich sind Größenverhältnisse: diese werden ganz einfach unwichtig. Du kannst also ein kleines Bonsaibäumchen scannen und das fertige 3D Model in der virtuellen Welt als zehn Meter hohen Baum darstellen.

Das gleiche ist mit Strukturen und Oberflächen möglich. So kann aus einem kleinen Stück deines Gartens digital eine weite Kraterlandschaft werden.

Einsatz in Filmen, Spielen und virtuellen Welten

Die Technik findet in ganz unterschiedlichen Bereichen seinen Einsatz: sowohl in Hollywood wird sie angewendet, aber auch Spielefirmen haben sie mittlerweile in ihren Workflow fest integriert.

Zum Beispiel wurden fast alle Assets für das Spiel The Vanishing of Ethan Carter per Photogrammetrie eingescannt und anschließend aufbereitet. Interessant ist, dass der finale Look des Spiels sehr stilisiert und gar nicht auf Realismus getrimmt ist. Hierfür das hat Team in der Nachbearbeitung-Phase die Texturen entsprechend angepasst um den gewünschten Stil zu erreichen.

Im Spiel The Vanishing of Ethan Carter von the Astronauts wurden fast alle Assets mithilfe von Photogrammetrie erstellt

Auch im neuesten Star Wars Spiel Battlefront wurde mithilfe von Photogrammetrie die digitale Welt zum Leben erweckt. Dabei wurden nicht nur Bäume und Felsen eingescannt, sondern sogar ganze Klippenwände.

David Finsterwalder hat den Prozess verwendet um eine Ausgrabung in Ellwangen zu digitalisieren. So kann der Ausgrabungsort digital besucht werden. Zusätzlich werden in VR weitere Informationen und Texte an den relevanten Stellen eingeblendet.

Davids virtuelle Rekonstruktion der Ausgrabungen in Ellwangen

In einem weiteren Projekt zeigt David noch deutlicher die Möglichkeiten weit über die bloße digitale Reproduktion hinauszugehen. Im Beispiel können die verschiedenen Daten über Fundorte und Eigenschaften im Raum individuell eingeblendet werden. Dies ist ein erste Vorgeschmack wie Informationen in VR besser repräsentiert werden können und dadurch viel nützlicher werden.

Visualisierung der Ausgabungsdaten, als Overlay über den 3D Scan

Ein sehr kreativer Einsatz der Technik kommt von Greg Petchkovsky. Aus einer Kombination von Photogrammetrie, 3D Modellierung und 3D Druck, entstand ein Projekt bei dem er die echte Welt nahtlos in fantastische Formen und Oberflächen übergehen lässt. So schmelzen Steine auf einmal davon und das Innenleben von Stufen überrascht mit Legosteinen.

Reale Objekte werden mit 3D gedruckten Elementen kombiniert — von Greg Petchkovsky

Low End, High End – beides möglich

Die Qualität der 3D Scans ist sehr stark davon abhängig, wie viel investiert wird. Der Einstieg ist aber schon mit einem Smartphone und kostenfreier Software möglich.

Wer nur etwas mehr investiert, kann schon sehr qualitative Ergebnisse erreichen. Zum Beispiel mit einer guten Kamera und einer Software für knapp 170 Euro.

Nach oben ist natürlich noch Platz: für ganz exakte Scans werden zig Kameras synchronisiert und leistungsfähige Computer berechnen 3D Modelle die auch noch die feinste Pore enthalten. Dieses hohe Niveau ist dann aber nur noch in speziellen Projekten notwendig, z.B. in großen Hollywood-Filmen.

In den kommenden Artikeln wird es konkret

Jetzt hast du einen guten Überblick über die Technik erhalten, welche Möglichkeiten sie bietet und wo sie eingesetzt werden kann.

Im weiteren Verlauf dieser 5-teiligen Artikelserie gehen wir dann in die Praxis und du wirst deine ersten eigenen 3D Scans erstellen!

Grundlagen für gute Photogrammetrie


Weiterer Lesestoff

Sehr spannend sind diese drei Artikel von VALVE, die den Einsatz der Photogrammetrie in VR zeigen und erklären: Photogrammetry in VR - part 1, part 2 and part 3

David Finsterwalder hat mit diesen Photogrammetrie-Demos von VALVE (die in den Artikel erwähnt werden) und der HTC VIVE einen kleinen Ausflug gemacht und auf Video aufgenommen:

Die Photogrammetrie-Demos von VALVE, gezeigt von David mit dem htc VIVE Entwicklerkit

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