Workflow des Scanning Workshops for Digital Practices „The Third Eye“

Vorstellen möchten wir hier einen angewandten und evaluierten Workflow für 3D-Scanning, der als Anleitungsplattform und leicht nachvollziehbare Einführung in das Thema dienen soll. Der Workflow zeichnet die Konzeption und Durchführung des Workshops The Third Eye - Scanning Workshop for Digital Practices nach, ausgearbeitet von dem mediendidaktischen studentischen Mitarbeiter von InKüLe, Joel Tenenberg in Kooperation mit der Medienwerkstatt (Vadim Schäffler) an der Fakultät Bildende Kunst der UdK Berlin. Der Workshop gehört zu einem Peer2Peer Programm von InKüLe, in dem Studierende innovative digitale Medien an andere Studierende vermitteln.

Die folgenden Ausführungen lassen sich anhand einer Videodokumentation des Einführungsworkshops nachvollziehen und dienen als Ressource für alle, die sich für 3D-Scanning interessieren und eigene Projekte in diesem Bereich realisieren wollen. Dabei führt das Video in die aufbauende Struktur des Workshops ein und erläutert das von InKüLe ausgearbeitete Capture Kit als eines von weiteren Toolkits.

Unser Workflow nutzt Scannen für die Erzeugung einer digitalen dreidimensionalen Kopie eines Objekts oder eines Raums. Angewendet wurden hierfür verschiedene Techniken wie etwa die Light Detection and Ranging-Methode (LiDAR), Photogrammetrie und die Structured Light-Methode. Je nachdem, ob ein physisches Objekt oder ein Raum gescannt werden soll, sollte man die jeweiligen Vor- und Nachteile der Techniken und ihrer Methoden kennen, um einen unnötigen Mehraufwand – etwa bei der Nachbearbeitung der gescannten Bilder – zu vermeiden.

Scannen von Räumen und großen Objekten

Hier eignet sich die LiDAR-Methode von Polycam auf dem iPad oder jedem anderen LiDAR-kompatiblen Gerät. Dabei werden Laser verwendet, die den Abstand zwischen dem Sender des Laserstrahls (unserem Scan-Gerät) und der nächsten Oberfläche messen. So wird eine Reihe korrelierender Bilder von der Kamera aufgenommen und in einer errechneten Geometrie übereinandergelegt. Das Ergebnis dieses vereinheitlichenden Prozesses zeigt sich in einer schnell erzeugten und relativ grob aufgelösten Topologie aus detaillierten Texturen.

Polycam LiDAR Modus

Der LiDAR-Modus stellt im Grunde die bevorzugte Methode für schnelle und räumliche Scans dar. Dabei ist es ratsam, vor dem Scannen eine Route durch den Raum festzulegen – idealerweise in Form eines schlangenförmigen S-Musters, das sich etwa von links nach rechts über die kurzen Seiten des Raumes bewegt. Zu Beginn des Scannens sollte nochmals überprüft werden, dass der LiDAR-Scan-Modus auf dem Gerät eingeschaltet ist. Auch ist es ratsam, während des Scannens und ihrer Bewegung im Raum das triangulierte Netz aus miteinander verbundenen Linien auf dem Bildschirm immer wieder zu überprüfen. Dieses Netz auf dem Bildschirm zeigt nämlich die 3D-Geometrie an, die beim Scannen erfasst wird. Es ist wichtig, den Scanbereich immer wieder durch neue Scanvorgänge überlappend aufzunehmen und sich dabei möglichst langsam und gleichmäßig zu bewegen. Ebenso sollte stets eine mittlere Distanz zur Oberfläche eingehalten werden. Die Lidar-Scan-Methode eignet sich sehr gut für nicht-reflektierende und zugleich feste Objekte. Feine und dünne Strukturen sind mit dem LiDAR-Modus nur schwer oder gar nicht zu erfassen. Ein zusätzlicher Scan durch den Polycam-Fotomodus kann dabei helfen, solche Strukturen zu erfassen.

Polycam Fotomodus

Der Photogrammetrie-Modus ist besonders leicht zu bedienen und kann vor allem auf Geräten verwendet werden, die über keine LiDAR-Sensoren verfügen. Mit diesem Modus lassen sich Objekte mit detaillierten und texturierten Oberflächen sehr gut erfassen. Zu beachten ist allerdings, dass diese Methode mit Fotoaufnahmen arbeitet, so dass man am besten auf das Scannen von extrem dünnen und vor allem glänzenden Objekten verzichten sollte, da die Ergebnisse der Scans sehr unberechenbar sein können. In der Regel werden etwa 100–150 Fotos eines Objekts aus verschiedenen Winkeln und Entfernungen aufgenommen. Photogrammetrie berechnet auf dieser Grundlage und einer Berechnung der Bewegungen zwischen den einzelnen Bildern die Oberfläche des 3D-Objekts. Die Anzahl der aufgenommenen Bilder ist stark abhängig von der Größe und Komplexität des zu scannenden Objektes. Zugleich ist die Bilderanzahl ausschlaggebend für die Auflösung des Scans. Es empfiehlt sich bei den Aufnahmen immer wieder auf den grünen Balken am unteren Rand des Polycam Interfaces zu achten, der den Fortschritt der notwendigen Bildanzahl für die Berechnung angibt – wird ein Drittel Fortschritt angezeigt, so ist dies ein guter Anhaltspunkt für die Bearbeitung.

Zu empfehlen ist eine Aufnahmetechnik des Objektes, bei der man rund um das Objekt herum Bilder aufnimmt. Praktisch bedeutet dies, dass man die Kamera auf verschiedenen Höhen um das Objekt kreisen lässt. Um möglichst viele Details des Objekts aufzunehmen – wie etwa auch die Unterseite – sollte man das Objekt auf ein Podest oder einen anderen erhöhten Gegenstand stellen. Noch ein Tipp: Bei der Verwendung des Videomodus in der Polycam App sollten sich die Aufnahmen zu 50% überlappen. Hierfür ist eine langsame und kontinuierliche Bewegung der Kamera angeraten.

EinScan Handheld Scanner

Bei dem EinScan Handheld Scanner handelt es sich um ein Gerät mit zugehöriger Software, dessen Anwendung eine gewisse Vorbereitungszeit benötigt. Doch liefert diese Technik eine wirklich sehr gute Scanqualität Dank des hohen Detailgrads der gescannten Objekte, so dass sich die Einarbeitungszeit in die Software lohnt. So muss vor Beginn des Scannens die Software EXScan installiert werden, die als Schnittstelle zwischen dem EinScan Handheld Scanner und dem angeschlossenen Laptop dient und die notwendigen Kalibrierungsmöglichkeiten für das Scannen bietet.

Tatsächlich ist eine Kalibrierung vor jedem Scan erforderlich und lässt sich problemlos mit der mit dem Gerät mitgelieferten Kalibrierungsplatte durchführen. Dabei unterscheidet man zwei Kalibrierungsarten:

• Die Gyroskop-Kalibrierung ermöglicht, das gescannte Objekt an einem Standort richtig auszurichten.
• Die Weißabgleich-Kalibrierung wird benötigt, um die Sensoren des Scanners an die Umgebungshelligkeit anzupassen.

Siehe hierzu die Videos von Joel Tenenberg und dem EinScan Salon Johnny Chen

Beim Scanvorgang selbst bedient man Knöpfe auf dem EinScan Handheld Scanner, um die Entfernung zum Objekt und die Helligkeit der Kameras zu steuern. Hierbei sendet das Gerät kontinuierlich ein farbiges Feedback über die optimale Haltung des Scanners zum Objekt. Gleichzeitig wird das erfasste Mesh auf dem Bildschirm des Computers dargestellt

Die Scanqualität kann vor dem Scannen eingestellt werden. Dabei können die vollständigen Mesh-Einstellungen auch noch nach Abschluss des Scanvorgangs weiter angepasst werden.

Die installierte Software EXscan bietet zwei Modi zum Scannen von Objekten an, die verschiedene Eigenschaften haben. Der IR-Modus liefert eine verringerte Datenqualität und Präzision und ist daher besonders gut für Scans von Menschen (also größeren Objekten) oder leicht reflektierendem Material geeignet. Der Weißlicht-Modus hingegen liefert eine hohe Datenqualität und Präzision und ist daher vor allem für nicht-reflektierende und nicht-schwarze Objekte geeignet.

Beide Modi unterscheiden sich in ihren Einstellmöglichkeiten letztlich nur geringfügig. Bei unserem Workflow wird ein leicht reflektierendes Objekt gescannt, so dass der IR-Modus ausgewählt wurde.