Verfasst von Jochen Fuchs ● 18.12.2018 19:00:00

3D-Scan Methoden im Überblick

3D Scan Methoden im Überblick

3D-Modelle, sogenannte Digital Twins, gewinnen immer mehr an Bedeutung. Mithilfe von Digital Twins lassen sich beliebig viele Produktbilder automatisiert erzeugen und  Konsumenten können Produkte hautnah erleben.

Sie ermöglichen, Produkte im Kontext des eigenen Wohnraumes zu sehen, Möbel mittels Augmented Reality zu platzieren oder einen Lippenstift an sich auszuprobieren, als würde man dabei in den Spiegel sehen. Sie verhilft dazu, Unsicherheiten aufgrund schlechter Produktfotos aus dem Weg zu räumen und damit künftig Retouren zu reduzieren.

So wird ein 3D-Modell erstellt

Wie erzeugt man am besten einen Digital Twin? Dazu gibt es verschiedenen Möglichkeiten. Neben der manuellen Erzeugung von Digital Twins gewinnen 3D-Scan Methoden immer mehr an Bedeutung. Sie erlauben eine schnelle, automatisierte und kosteneffiziente Erstellung von Digital Twins und können damit 3D-Artists bei der digitalen Content Produktion massiv unterstützen.

In diesem Blogbeitrag wollen wir Ihnen einen Überblick über verschiedene 3D-Scan Methoden geben, die geeignet sind, einen Digital Twin zu erzeugen.

Grundsätzlich lassen sich 3D-Scan Methoden in zwei Kategorien einteilen. Zum einen, “Time of Flight” und zum anderen, Triangulation, die wiederum die drei Verfahren der Streifenlichtprojektion, der Photogrammetrie sowie den Laserscan vereint.

 

1. Time of Flight (ToF)

Time of Flight Kameras erfreuen sich in letzter Zeit immer größerer Beliebtheit. Ihr Prinzip beruht auf einer dem Radar ähnlichen Technik, bei der Lichtimpulse, z.B. Infrarot, von einer Lichtquelle ausgesendet werden, um dann die Zeit zu messen, die das Licht benötigt, um zum Objekt und wieder zurück zur Kamera zu gelangen.

TOF


Wofür wird ToF eingesetzt?

Der Vorteil dieser Technik ist, dass sie in Echtzeit funktioniert und damit eine ganze Szene live in einem Schritt erfasst werden kann. In der Automotive Branche wird sie daher zur Unterstützung des Lenkers in der Fahrerassistenz, als Aufmerksamkeits-Assistent oder in Kollisionswarnsystemen genutzt. In der Gaming Industrie kommt ToF ebenso zum Tragen, z.B. bei Microsoft Kinect wie in der Logistik, zum roboterunterstützten Be- und Entladen von Paletten. Die Technik wird in Zukunft vor allem zur Digitalisierung von Räumen oder großen Objekten eingesetzt werden, da sie nicht ausreichend exakt ist, um präzise Messungen im Millimeter vorzunehmen, sondern eher geeignet, wenn eine Messgenauigkeit von wenigen Zentimetern erforderlich ist. Laserscanner, die genutzt werden, um ganze Gebäude zu vermessen, funktionieren auch nach diesem Prinzip und sollten nicht verwechselt werden mit Laserscanner, die für hochgenaue Messungen im Nahbereich zum Einsatz kommen. Diese funktionieren nach dem Prinzip der Triangulation.


2. Triangulation

Die zweite hier vorgestellte Methode ist die Triangulation. Wenn man ein Objekt mit zwei Kameras aus verschiedenen Richtungen aufnimmt, dann kann man das Objekt und die Kameras mit einem Dreieck verbinden und mit Hilfe der Dreiecksgleichungen den Abstand des Objektes von den Kameras berechnen. 

Triangulation

Sind die Winkel zwischen den Seiten eines Dreiecks und die Länge einer der Dreiecksseiten bekannt, kann man die Längen der anderen Seiten mittels trigonometrischer Formeln berechnen. Dieses Verfahren nennt man Triangulation. Es ist die Grundlage mehrerer Scanverfahren, wie Streifenlichtprojektion, Photogrammetrie oder Laserscanning im Nahfeldbereich.

 

Laserscan

Als erste Methode stelle ich den 3D-Laser Scan für den Nahbereich vor. Hier wird mit Hilfe eines Lasers eine Linie auf das Objekt, das gescannt werden soll, projiziert.

Laserscanner

Diese Linie kann dann im Kamerabild einfach identifiziert werden und mit Hilfe der Triangulation können alle Oberflächenpunkte auf der Linie mit extrem hoher Genauigkeit rekonstruiert werden. Um die ganze Oberfläche eines Objekts aufzunehmen, muss der Laserscanner manuell über die Oberfläche bewegt werden. Ein Vorteil der Methode ist die Rekonstruktion, die in Echtzeit erfolgt. Der Anwender kann während des Scan-Vorgangs die Visualisierung per Tablet mitverfolgen. Der Nachteil der Methode ist, dass sie langsamer ist, als die beiden nachfolgenden Methoden und keine Farbinformation liefert.

 

Wofür werden 3D-Laserscanner eingesetzt?

3D-Laserscanner kommen insbesondere bei sehr genauen Messungen zum Einsatz, zum Beispiel bei der Qualitätssicherung, im Bauwesen oder der Forensik.

 

Streifenlichtprojektion

Die Methode heißt Streifenlichtprojektion, weil mit Hilfe eines Projektors eine zeitliche Sequenz von Streifenmuster auf das Objekt projiziert wird, das man digitalisieren möchte. Die Streifensequenz versieht jeden Oberflächenpunkt des Scan Objektes mit einer eindeutigen Kodierung.

Streifenprojektion

So kann ein Oberflächenpunkt in verschiedenen Kamerabildern eindeutig identifiziert und die Triangulation berechnet werden. Führt man die Triangulation für alle Oberflächenpunkte durch, dann erhält man damit eine Punktewolke. Aus dieser Punktewolke wird dann im Anschluss ein Mesh erstellt, das die Oberfläche des 3D-Objektes repräsentiert.


Wofür wird die Streifenlichtprojektion eingesetzt?

Die Streifenlichtprojektion findet bisher vor allem Anwendung in der hochgenauen Messtechnik, wo es um Genauigkeiten von wenigen Mikrometern geht. Wird die Streifenprojektion, wie bei RealScan, mit der Aufnahme von farbechten Bildern kombiniert, dann erhält man einen hochwertigen Digital Twin (Beispiellink auf unsere Homepage).

Neben der hohen Qualität ermöglicht die Streifenprojektion auch das Scannen von einfarbigen Objekten. Dies ist mit der nächsten Methode, der Photogrammetrie nicht möglich.


Photogrammetrie

Die Photogrammetrie ist ein Rekonstruktionsverfahren, das mit Aufnahmen ohne aktive Beleuchtung (ohne Streifenmuster) funktioniert. Man macht dazu nur mit Hilfe einer Kamera Aufnahmen des Scan Objektes aus verschiedenen Sichtwinkeln. Mit Hilfe der Triangulation kann man dann wie bei der Streifenprojektion die Punktewolke berechnen. Die Schwierigkeit liegt bei der Photogrammetrie darin, gleiche Objektpunkte in verschiedenen Bildern zu identifizieren.

Photogrammetrie

Es fehlt dafür die aktive Kodierung, wie sie bei der Streifenprojektion beschrieben ist. Man kann dafür nur Bildinformationen nutzen, die das Objekt selbst mitbringt. Licht und Schatten machen dies aber manchmal schwierig. Anschließend werden ebenfalls mit der Triangulierung die Oberflächenpunkte des Objekts berechnet.


Wofür wird die Photogrammetrie eingesetzt?

Die Photogrammetrie ist eine Alleskönner Methode, die eingesetzt werden kann, um Objekte, Menschen, Räume, Gebäude oder sogar ganze Landstriche zu digitalisieren. Sie ist allerdings nicht so genau und robust wie die Streifenprojektion oder die Laser Scan Methode.


Fazit - 3D-Scan Methoden im Überblick

Die 3D-Technologie lässt Konsumenten in Zukunft Produkte hautnah erleben. Durch die Wahl der richtigen Scan Methode gelingt es, Objekte schnell, automatisiert und kosteneffizient zu digitalisieren und so einen gewaltigen Schritt in Richtung effiziente 3D-Content Erzeugung zu machen. In einem weiteren Blogpost werde ich noch einmal detailliert auf verschiedenen Scan Methoden einzeln eingehen.

Probe-Scan

Topics: Technologie

Jochen Fuchs

Jochen Fuchs studied physics at the University of Ulm. After spending time abroad studying at the University of Illinois Urbana-Champaign, he completed a PhD in Physics at the Karlsruhe Institute of Technology. He then moved to Central Research at Carl Zeiss AG, where he focused on technology and innovation projects in the areas of microscopy, medical technology and industrial metrology. Before deciding to establish the Virtual Media startup for RealScan at Carl Zeiss AG, he managed a team of experts that focused on 3D digitalization, virtual and augmented reality, and human–machine interfaces. Since 2018 he has been jointly heading the Virtual Media venture with Andreas Klavehn and has been in charge of Research and Development.

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