Grundlagen für gute Photogrammetrie

Worauf solltest du bei deinen 3D Scans per Photogrammetrie achten? Für welche Einsatzzwecke eignet sich die Technik und in welchen Bereichen zeigt sie Schwächen?

Nach der Einführung in der letzten Woche steigen wir heute tiefer in die Materie ein. Wir lernen konkrete Tricks und Kniffe die zu besseren Ergebnissen führen.

Cover-Grafik vom War Thunder Projekt von TEN 24 — © TEN 24

Grundsätzlich sind der wichtigste Aspekt für ein gutes Ergebnis die Fotografien. Zum einen müssen diese eine sehr gute Qualität erreichen und zum anderen sollten sie einigen wichtigen Merkmalen entsprechen.

Deine Vorbereitung und die Qualität der Fotos beeinflussen das 3D Ergebnis ganz direkt und mit etwas Übung kannst auch du tolle 3D Scans erstellen.

Falls du dir erst einmal einen Überblick über das Thema verschaffen möchtest: Der erste Teil dieser Artikelreihe bietet eine Einführung in die Photogrammetrie.

Einführung in die Photogrammetrie

Tricks und Kniffen für bessere Ergebnisse

Ganz wichtig für die Photogrammetrie sind scharfe Fotos. Je schärfe desto besser: jeder Pixel mehr hilft der Software ein noch genaueres Ergebnis zu berechnen und die Form und Struktur der Objekte exakter berechnen zu können.

Dabei gibt es natürlich Grenzen und je nach Einsatzzweck kann auch schon die Kamera eines modernen Smartphones völlig ausreichen. Am besten: klein anfangen und falls nötig das Equipment und die Qualität der Berechnung hochfahren.

Zum Objektiv: abgesehen von Fisheye-Objektiven funktioniert jedes gut. 50mm wird als ideal beschrieben, du solltest dich aber nicht zu sehr darauf versteifen – viel wichtiger ist es, dass du nicht den Zoom verwendest und darauf achtest, dass so viel Tiefenschärfe wie möglich im Bild ist.

Bevor du mit dem Fotografieren beginnst, solltest du noch ein paar Einstellungen an der Kamera vornehmen. Zuallererst wechsle in den manuellen Modus. Dadurch stellst du sicher, dass alle Fotos der Reihe mit den gleichen Einstellungen (Belichtung, etc.) gemacht sind. Das hilft dem Berechnungsprozess der Software, aber ist auch wichtig für eine einheitliche Textur (Oberfläche) beim finalen 3D Model.

Das Ausgabeformat stellst du auf das bestmögliche, z.B. RAW oder TIFF. Eine kurze Belichtungszeit vermindert Bewegungsunschärfe. Stelle diese so kurz wie möglich, entsprechend den Lichtverhältnissen, ein. Genauso den ISO Wert: so klein wie möglich, damit die Fotos wenig bis kein Rauschen in den Details enthalten.

Zur Beleuchtung: diese sollte gleichmäßig sein. Im Idealfall gar keine harten Schatten – deswegen auch auf keinen Fall mit dem Blitz fotografieren! Drinnen kannst du dir die Lichtsituation nach diesen Anforderungen gestalten – wenn dein Motiv draussen ist, versuche an einem wolkigen Tag oder im Schatten zu fotografieren.

So, nun hast du alle Vorkehrungen getroffen, die Kamera ist perfekt eingestellt und du kannst losknipsen. Versuche so viele Winkel wie möglich abzudecken – von oben, der Mitte aber auch unten... drumherum. Bedenke dabei: was nicht in den Fotos zu sehen ist, kann der Computer nicht berechnen.

Außerdem hilft es der Software, wenn sich die fotografierten Bereiche überlappen, sodass auch feine Details aus verschiedenen Winkeln abgedeckt sind. Du kannst auch Detailfotos von Bereichen machen, die etwas verwinkelt sind oder du im abschließenden 3D Model besser aufgelöst benötigst.

Die Menge der Fotos ist ein wichtiger Aspekt für den weiteren Prozess. Je mehr Fotos du machst, desto besser kann das Ergebnis werden – aber mit jedem Foto steigt auch die Belastung bei der Berechnung für den Computer.

Ich empfehle dir erstmal klein anzufangen, Erfahrungen zu sammeln und dich so vor zu arbeiten. Es kann ganz schon frustrierend sein, wenn du bei deinem ersten Versuch zig Fotos in die Software lädst, Stunden wartest und das Ergebnis wegen eines kleinen Fehlers unbrauchbar ist.

Als Richtwert für dich: mit 10 bis 20 Fotos kannst du schon tolle Ergebnisse erreichen, die in den meisten Fällen vom Detailgrad auch absolut ausreichen.


Nicht alles eignet sich für die Photogrammetrie

Grundsätzlich ist die Photogrammetrie nicht geeignet für Objekte die in Bewegung sind. Dein Motiv sollte also schon statisch sein (wie z.B. Steine) oder du solltest dafür sorgen, dass es sich während den Aufnahmen nicht bewegt (z.B. eine Person die während des Fotografierens still hält).

Gut ausgerüstete Studios haben für diesen Zweck – und um effizienter arbeiten zu können – große Kameraaufbauten, durch die aus allen nötigen Perspektiven etliche Kameras auf einmal fotografieren.

Auch solltest du bei den Oberflächen einige Punkte beachten: einfarbige Flächen mit wenigen Details machen es der Software unmöglich die tatsächliche Form zu erkennen. Genauso ist es mit spiegelnden Flächen bzw. sich wiederholende Muster.

Daher solltest du Objekte mit diesen Flächen vermeiden, oder: Falls nötig, kannst du sie auch speziell vorbereiten. Z.B. indem du Markierungen mit einem wasserlöslichen Stift an schwierigen Flächen anbringst, die du dann später digital wieder entfernst.

Ideal sind Flächen mit vielen Details und markanten Strukturen. Baumrinden und Steine sind daher wunderbar für die ersten Versuche.


Markante Punkte werden zu einer Punktewolke

Das Vorgehen der Photogrammetrie-Software ist folgende: alle verfügbaren Fotos werden analysiert und es werden markante Punkte gesucht. Durch die verschiedenen Perspektiven der Fotos, kann die Position jedes dieser Punkte berechnet werden: So entsteht eine grobe Punktewolke.

Eine Punktewolke entsteht durch das Analysieren von Fotos aus
verschiedenen Perspektiven (The Vanishing of Ethan Carter)

Im nächsten Schritt werden anhand dieser Eckpunkte weitere Gemeinsamkeiten in den Fotos gesucht und die Punktewolke wird weiter verfeinert. Daher ist es von Vorteil – wie vorhin erwähnt –, wenn das Motiv sehr kontrastreich ist und viel Struktur bietet. So kann die Software eine exaktere Punktewolke generieren.

Diana of Versailles – ein detaillierter 3D Scan inklusive Textur, berechnet aus nur 22 Fotos

Mit verschiedenen Algorithmen ist es dann anschließend möglich aus dieser Punktewolke ein 3D Model zu generieren und die Textur aus den Fotos zu berechnen. Im nächsten Artikel werde ich dir dieses Vorgehen anhand der Software PhotoScan von Agisoft genauer zeigen.


PhotoScan von Agisoft: die bekannteste Software

Durch das sehr gute Preis/Leistungs-Verhältnis von PhotoScan ist sie die am weitesten verbreite Software im Bereich der Photogrammetrie.

Sie wird sowohl von großen Hollywood-Studios, aber auch von kleinen Indie-Studios und Selbständigen verwendet. Sie ist einfach zu bedienen und schon für knapp 170 Euro zu haben.

Tipp: Dein Werk präsentieren

Um das Ergebnis deiner Mühe in allen Details präsentieren zu können, empfehle ich dir Sketchfab. Dort kannst du deine 3D Modelle kostenlos hochladen und in einem online 3D Viewer der Welt zeigen was du eingescannt hast.

Schau doch mal in deren Bibliothek nach "photogrammetry". Dort kannst du dir tolle 3D Modelle ansehen, die andere mit dieser Technik eingescannt haben:

Tipp: Ein Drehteller erleichtert die Arbeit

Bei kleineren und mittelgroßen Objekten kannst du dir die Arbeit mithilfe eines Drehtellers erleichtern. Diesen kannst du mit einem Stift in 10 Grad Abschnitte unterteilen, deine Kamera an einer festen Position anbringen und den Hintergrund mit einem weißen Stoff oder Karton vereinfachen. Das erleichtert die Berechnung in der Software und das Nachbearbeiten deutlich.

Spezialfall: Landschaften

Photogrammetrie lässt sich auch für das Scannen von natürlichen Umgebungen einsetzen. Jedoch gibt es hierbei einige andere Details zu beachten und die Herangehensweise unterscheidet sich zu der bei einfacheren Objekten.

Um den Rahmen dieses Artikels nicht zu sprengen: falls du dich für das Thema interessierst, bietet dieses Video einen guten Einstieg:

Video zum "Natural Environment Scanning" von ClassyDogFilms

Die Theorie steht, nun wird es praktisch

Mit diesen Informationen hast du nun das nötige Hintergrundwissen und theoretische Können um deine ersten praktischen Erfahrungen zu machen.

Im nächsten Artikel wirst du lernen, wie du mithilfe der Software Photoscan 3D Modelle aus Fotos generieren kannst.

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