Vom Foto zum 3D Model: Photogrammetrie mit Photoscan

In den ersten beiden Artikeln dieser Serie haben wir die Grundlagen der Photogrammetrie kennengelernt. Heute wird es praktisch: wir erstellen unseren ersten 3D Scan aus einer Reihe von Fotografien.

Wir konzentrieren uns dabei auf die Software PhotoScan von Agisoft. Es gibt noch weitere Programme für diesen Bereich, PhotoScan hat jedoch mit Abstand das beste Preis/Leistungs-Verhältnis.

In den ersten beiden Artikeln dieser Serie findest du eine Einführung in das Thema Photogrammetrie und alle essentiellen Grundlagen:

Einführung in die Photogrammetrie

Grundlagen für gute Photogrammetrie

Installation & Voraussetzungen

Auf der Internetseite von Agisoft kannst du dir die Demoversion von Photoscan herunterladen. Die Software ist praktischerweise plattformunabhängig, sie funktioniert also sowohl und Windows, Mac und Linux.

Die Berechnung der 3D Punktewolke und des 3D Objekts ist sehr rechenintensiv. Du solltest also einen sehr leistungsstarken Computer zur Verfügung haben. Diese drei Eckpunkte, in dieser Reihenfolge, sind die wichtigsten:

Arbeitsspeicher: Die Anzahl der Fotos und Komplexität des 3D Models sind direkt abhängig vom gegebenen Arbeitsspeicher. Unter 8GB wird sich die Software schnell beschweren und den Scan nicht berechnen können. Empfohlen werden, je nach Umfang des Projekts, 32 bis 64 GB oder mehr.

CPU: Hier wird ein multi-core Prozessor mit 3GHz+ empfohlen. Zwar werkelt die App auch bei langsameren CPUs ohne Beschwerde vor sich hin, jedoch verlängert sich die Zeit in der du den Ladebalken bestaunen darfst.

GPU: Sollte deine Grafikkarte OpenCL unterstützen ist das ein großer Vorteil! Das beschleunigt die Berechnung der feinen Punktewolke enorm. Unbedingt in den Einstellungen von PhotoScan diese Option aktivieren, falls du die passende Grafikkarte hast.

Im Zweifelsfall würde ich an deiner Stelle einfach mal die Software starten und erste Scans austesten. Wenn dir die App um die Ohren fliegt oder alles viel zu langsam ist, dann kannst du deine Computer-Konfiguration mit den oben genannten Details vergleichen. Oder du meldest dich bei mir, dann sehen wir zusammen mal nach.

PhotoScan kannst du entweder im Demo-Modus laufen lassen – dann kannst du deine Scans aber weder speichern noch exportieren – oder du holst dir kostenlos einen 30-Tage Testcode auf dieser Seite.

Überblick

Sehr schön, die Software ist installiert und gestartet, nun können wir mit dem eigentlich 3D Scan Prozess beginnen!

Da die Fenster und Werkzeuge von PhotoScan recht simpel und übersichtlich sind, gehe ich jetzt am Anfang nicht zu sehr ins Detail, sondern zeige dir die einzelnen Elemente in den kommenden Schritten bis zum fertigen 3D Model:

  1. Fotos laden
  2. Fotos ausrichten inkl. einer groben Punktewolke
  3. Berechnung einer feinen Punktewolke
  4. 3D Objekt berechnen
  5. Textur aufbauen

Hast du mithilfe der Tipps im vorherigen Artikel schon selbst ein Objekt fotografiert? Ideal! Falls nicht und du erst einmal in der Software Erfahrungen sammeln möchtest, kannst du dir die Beispielfotodaten von Agisoft herunterladen und zum Üben mit diesem Tutorial verwenden.

1. Fotos hinzufügen

Als erstes müssen wir die Fotos in PhotoScan laden. Dazu klickst du auf „Workflow“ im Menü und wählst „Add Photos…“ aus. Im Dialog wählst du alle Bilddateien, die du für diesen Scan verwenden möchtest.

In „Photos“ Fenster werden nun alle Fotos aufgelistet und im „Workspace“ ist ein neuer „Chunk“ entstanden. Die Software erstellt für jedes Foto eine Kamera, die später für die Berechnungen verwendet werden, nachdem sie ausgerichtet wurden.

Hier nochmal der wichtige Hinweis zu den Fotos: Achte auf eine einheitliche Ausleuchtung ohne harte Schatten. Um die Qualität des Scans zu erhöhen, kannst du die Fotos duplizieren und den Kontrast verstärken. Für die Textur später solltest du den Kontrast in den Fotos deutlich senken, da die Beleuchtung später im 3D Programm oder in der Spieleengine vorgenommen wird.

2. Fotos ausrichten + grobe Punktewolke

Da die Fotos nun bereitliegen, ist im Menü „Workflow“ der Punkt „Align Photos…“ aktiv geworden. Mit einem Klick darauf öffnet sich ein Dialogfenster in dem du einige Einstellungen vornehmen kannst.

Für den Anfang reicht es aus, wenn du lediglich die Genauigkeit („Accuracy“) nach deinem Wunsch und dem Einsatzort des fertigen 3D Models veränderst. Je höher du gehst, desto länger wird die Berechnung dauern. „Medium“ ist aber in den meisten Fällen ausreichend.

Nachdem die Berechnung komplett ist, siehst du im 3D Fenster wahrscheinlich ein mittelgroßes Chaos. Alle Fotos (die blauen Flächen) wurden entsprechend ihrer Position und Orientierung ausgerichtet, außerdem wurde basierend auf dieser Informationen eine grobe Punktewolke generiert. Die Punktewolke wird im „Workspace“ unter „Tie Points“ aufgelistet.

Je nach Qualität und Hintergrund der Fotos könnte das erstmal etwas wild aussehen. Aber keine Sorge, im nächsten Schritt räumen wir das Ganze auf um ein sauberes Ergebnis zu erhalten.

Um dich in der 3D Szene zu bewegen, kannst du die Kamera mit einem Linksklick (+ Ziehen) drehen, einem Rechtsklick (+ Ziehen) die Position verändern und per Scrollen heraus- oder einzoomen.

Hilfreich ist es auch, wenn du einen einfachen Rechtsklick auf den Bereich machst, der dich interessiert und dann „Center View“ wählst – damit wird die Kamera auf diesen Punkt fokussiert.

Die grobe Punktewolke aufräumen

Um ein richtig gutes Ergebnis zu erhalten, müssen wir die Szene etwas aufräumen. Je nach verwendeten Fotos kann dieser Prozess aufwändig oder im Gegenteil sogar gar nicht notwendig sein.

In diesem Beispiel haben wir sehr viele unnötige Punkte: irgendwo da in der Mitte ist die Statue die wir eigentlich berechnen wollen, alles aussen herum verfälscht das Ergebnis.

Hilfreich für diesen Schritt ist es, die Kamera zu deaktivieren, da sie in vielen Fällen die Sicht blockieren. Dazu einfach in der Leiste auf das entsprechende Icon klicken.

Um die unnötigen Punkte zu löschen, gibt es zwei Werkzeuge, die du am besten in dieser Reihenfolge verwendest.

Zum einen kannst du den Bereich auswählen, den du behalten möchtest und alles andere entfernen lassen. Hierzu nimmst du dir einfach eines der drei Auswahlwerkzeuge, zoomst soweit in die Szene hinein, bis du dein Motiv komplett siehst und wählst dessen Punkte (grob mit etwas Puffer drumherum) aus. Anschließend wählst du in der Leiste den „Crop Selection“ Befehl aus.

Als nächstes sind sehr wahrscheinlich um das eigentliche Motiv herum noch einige fliegende und nicht relevante Punkte. Diese kannst du auswählen und dann über die Entfernen-Taste oder den „Delete Selection“ Befehl in der Leiste ausradieren.

Wenn alle unnötigen Punkte aus dieser Perspektive gelöscht sind, dann drehe die Szene etwas und wiederhole den Prozess. Mache das so lange, bis du mit dem Ergebnis zufrieden bist.

Je nachdem welche Farben deine Fotos enthalten, kann es auch hilfreich sein, wenn du die Hintergrundfarbe der 3D Szene in PhotoScan abänderst. So siehst du die Punktewolke beim Aufräumen besser. Dazu gehst du einfach in die Einstellungen und wählst unter „Background color“ eine passende Farbe aus.

Je mehr unnötige Punkte du in diesem Schritt entfernst, desto genauer und zusammenhängender wird das Ergebnis sein. Nimm dir also genug Zeit, denn die Mühe die du jetzt investierst wird sich später auszahlen.

3. Punktewolke verfeinern

Du könntest nun mit deiner aufgeräumten, groben Punktewolke direkt das 3D Objekt generieren lassen. Wenn du aber noch etwas Zeit aufbringen kannst, empfehle ich dir diesen Zwischenschritt, bei dem eine sogenannte „Dense Cloud“ – also eine feinere Punktewolke – berechnet wird.

Bei diesem Schritt kalkuliert der Computer deutlich mehr Punkte und geht dabei deutlich genauer in die Details. Heraus kommen in der Regel Millionen von Punkten!

Wenn du dir die Zeit nehmen möchtest, dann wähle im Menü unter „Workflow“ den Punkt „Build Dense Cloud…“ aus. Anschließend kannst du dir einen Kaffee oder Tee machen, denn diesen Ladebalken wirst du wohl eine Weile sehen.

Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, siehst du in der 3D Szene eine deutlich detailliertere Punktewolke, die schon sehr dem finalen Objekt ähnelt.

Wie im vorherigen Schritt sind möglicherweise hier auch wieder unnötige Punkte entstanden. Diese kannst du mit den gleichen Werkzeugen, die du vorhin kennengelernt hast, aufräumen.

Jetzt hast du die ideale Grundlage um ein richtig gutes Ergebnis zu erhalten!

4. Das 3D Objekt generieren

Jetzt ist der große Moment gekommen! Eine saubere Basis ist geschaffen, sodass der Computer nun das tatsächliche 3D Objekt generieren kann. Hierfür ist unter dem Menüpunkt „Workflow“ die Option „Build Mesh…“ verfügbar geworden.

Ein Klick darauf führt zu einem Dialogfenster in dem zu einige Einstellungen vornehmen kannst. Für den Anfang sind vor allem zwei Einstellungen interessant für dich: „Face count“ und „Interpolation“ (unter „Advanced“).

Face count: Mit dieser Einstellung kannst du (grob) die Anzahl der Polygone des 3D Objekts bestimmen. Einfacher gesagt ist das der Detailgrad des Objekts. Wofür du dich entscheidest hängt ganz stark davon ab, wo du das Model einsetzen und wie du es später Nachbearbeiten wirst. Im Zweifelsfall rate ich dir zu „Medium“ oder „Low“ – das reicht in den meisten Fällen aus und belastet deinen Computer nicht zu sehr.

Interpolation: Hier hat sich die Auswahl „Extrapolated“ bewährt. Dabei versucht der Algorithmus Löcher im 3D Model – z.B. in Bereichen, die von den Fotos nicht abgedeckt sind – sinnvoll zu schließen. Dadurch hast du später ein „wasserdichtes“ Objekt.

Unter "Source data" solltest du entweder "Tie Points" oder "Dense Cloud" auswählen, je nachdem ob du die feine Punktewolke berechnet hast oder nicht. Ein Klick auf „OK“ startet den Prozess. Jetzt du darfst dir gerne nochmal eine Kanne Tee aufgießen und gespannt sein auf das Ergebnis.

Das fertig berechnete 3D Objekt wird dir direkt angezeigt und du kannst es von allen Seiten bestaunen. Im Workspace wird das 3D Model ebenfalls aufgelistet und über die Buttons in der Leiste kannst du zwischen den vier Darstellungsmöglichkeiten wechseln: flächig („Shaded“), kantig („Solid“), liniert („Wireframe“) und texturiert („Textured“).

5. Die Textur berechnen

Zuletzt fehlt uns nur noch die Oberfläche, die Textur. Den Berechnungsprozess – der im Vergleich zu den anderen sehr flott durchläuft – hierfür kannst du über den Menüpunkt „Build Texture“…“ unter „Workflow“ starten. Die Textur-Einstellungen kannst du für deine ersten 3D Scans unverändert lassen.

Auf Basis der Punktewolke und deinen Fotos stückelt die Software nun die Textur Schritt für Schritt zusammen und legt sie auf dein 3D Model. Dieser Schritt macht immer einen großen Unterschied im Realitätsgrad des Objekts, da die Texturen oft sehr exakt und lebensecht sind.

Um das Model auch ausserhalb von PhotoScan weiterverwenden zu können, musst du es nur noch exportieren. Dazu machst du einen Rechtsklick auf „3D Model“ im Workspace und wählst „Export Model…“. In der Regel ist das Format OBJ gut kompatibel zu anderen 3D Programmen und Engines.

Im nächsten Dialogfenster kannst du dann noch die Textur mit exportieren. Am idealsten ist hier das Format PNG (oder TIFF). JPEG würde mit seiner starken Komprimierung die Details in der Textur zu sehr verfälschen und verwaschen.

Ein Leben nach der Photogrammetrie

Gratulation, du hast damit dein erstes Photogrammetrie-Projekt abgeschlossen! Je nachdem was du mit dem 3D Objekt vor hast, kann es nun notwendig sein, es nachzubearbeiten.

Sowohl die Textur als auch das 3D Model sollte z.B. für den Einsatz in Spielen oder Filmen optimiert werden. Auch hast du die Möglichkeit die Textur weiter anzupassen und z.B. dem Stil deines VR Projekts anzugleichen.

Für das 3D Model ist die Retopo-Technik zu empfehlen, um auf Basis des Scans ein sauberes Objekt zu erstellen. Da diese Technik etwas umfangreicher ist, sprengt eine Erklärung den Rahmen des Artikels hier – aber dieses Video sollte dir einen guten Einstieg in das Thema geben.

Photogrammetrie mit dem Smartphone

In diesem Artikel hast du den professionellen Umgang mit der Photogrammetrie kennengelernt. Nächste Woche zeige ich dir dann wie du mit einem Smartphone und kostenloser Software ganz simpel einfachere 3D Scans erstellen kannst.

In PhotoScan gibt es noch viele kleine Helfer, die das Ergebnis noch weiter verbessern und insgesamt den Arbeitsablauf effizienter machen. Wenn dich PhotoScan genauer interessiert oder du Infos zu einer anderen Photogrammetrie-Software suchst, schreib mir eine Nachricht. Gerne schreibe ich dazu ein zweites Tutorial, das noch mehr in die Tiefe der Software geht.

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