Photogrammetrie

Verallgemeinernd lässt sich sagen, dass Photogrammetrie eine Technik ist, um aus Fotos von Objekten 3D-Modelle zu erstellen. Photogrammetrie entstand aus der Vermessungstechnik und Geoinformatik. Dort wird sie hauptsächlich zur Gewinnung geometrischer Objektinformationen genutzt. Typisches Einsatzgebiet ist die topographische Erfassung der Erdoberfläche mit Hilfe von Luftbildern.

Um ein komplettes 3D-Modell zu erhalten, müssen mehrere Bilder vom gewünschten Objekt gemacht werden. Die Wahl der Kamera ist hierbei nicht der entscheidende Faktor. So reichen bereits mit dem Smartphone gemachte Bilder aus, um ein vernünftiges 3D Modell zu erstellen. Diese Bilder sollten alle Oberflächen des Objektes aus mindestens drei Perspektiven abbilden. Dies ist notwendig, um ein lückenloses 3D-Modell zu erstellen.

Mit einem speziellen Programm werden aus den Fotos sämtliche Informationen extrahiert, darunter auch sogenannte Exif-Daten. Exif ist das standardisierte Format zur Speicherung von Metadaten in digitalen Bildern. Unter den Metadaten sind beispielsweise Datum und Uhrzeit, als auch Brennweite während der Aufnahme. Dieses Extraktionsverfahren nennt sich Structure from Motion (SfM), dem meist ein SIFT-Algorithmus (scale-invariant feature transform) zugrunde liegt.

Die extrahierten Informationen werden dann im Multi-View Stereo (MVS) dazu verwendet, die Bildpunkte zu vergleichen. Wenn die Informationen unzureichend sind, kann man jeden Bildpunkt mit jedem vergleichen, allerdings ist diese Art des Matchmakings sehr zeitaufwendig. Aus den passenden Bildpunkten entsteht nun mittels berechneter Höhenvektoren eine Punktwolke.

(Quelle: Multi-View Stereo: A Tutorial)

Mittels Surface Reconstruction wird eine Punktwolke zu einem Mesh verdichtet. Ein Mesh definiert die dreidimensionale Struktur eines Modells. Es besteht aus den untereinander verbundenen Punkten. Durch die Verbindungen ergeben sich Flächen, welche die Oberfläche des Modells darstellen. Diese Oberfläche wird mit Texturen belegt. Die Texturen entstehen bei den meisten Photogrammetrie-Programmen aus den Bildinformationen und werden Faces genannt. Zur Verfeinerung kann man das nun fertige 3D-Modell noch in weitere Tools als .obj- oder .ply-Datei einladen um beispielsweise die Faces zu reduzieren. Eine zu starke Reduktion kann allerdings im Verlust von Details enden.

Das fertige Modell lässt sich nun im Webbrowser darstellen oder anderweitig nutzen. Eine Möglichkeit dazu bietet three.js.

Erfahrungsbericht bezüglich Fotos

Direkte Sonneneinstrahlung

ist nicht zu empfehlen, da diese zu starkem Schattenschlag und überblendeten Bereichen führen kann.

Spiegelnde Flächen und Fenster

lassen sich sehr schlecht bis gar nicht mit Photogrammetrie verarbeiten, da sie Löcher erzeugen. Objekte die als Reflexionen sichtbar sind, können die Algorithmen stören und zu Fehlern führen.

Die Wahl der Kamera

ist für den Einstieg in die Photogrammetrie nicht entscheidend. Bereits mit Smartphone-Kameras aus dem mittleren Preissegment lassen sich gute Ergebnisse erzielen.

Gleichmäßiger kreisförmiger Abstand

zum Objekt führt zu einem schnelleren Matchmaking der Bildpunkte.

Verschiedene Höhenpositionen

sind sinnvoll um alle Flächen des Objektes zu erfassen.

Ein Stativ

empfiehlt sich, um unscharfe und verwackelte Bilder möglichst zu verhindern.