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1 3D-Scanner

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1. Abbildung 59 Kalibrierungsmuster Mittels des Button Kamera kalibrieren berpr ft die Software ob alle Punkte erkannt wurden In Ausnahmef llen ist eine Definition des Kalibrierungsberei ches notwendig In dem Reiter Radierer k nnen falsch erkannte dunkle Berei che von der Kalibrierung ausgeschlossen werden Nach dem die Kalibrierung einmal durchgef hrt wurde darf man die Kamera oder den Kalibrierungsk r per nicht mehr bewegen Sollte dies doch der Fall sein muss eine Neukalibrie rung durchgef hrt werden 39 Laserscanner 2 3 3 Objektdigitalisierung mit dem David Laserscanner ber den Weiter Button des Konfigurationsmen s ruft man den Scann Dialog siehe Bild 60 der DAVID Software auf Um ein Objekt zu digitalisieren positio niert man dieses so nahe wie m glich an dem Kalibrierungsk rper und mittig im Kamerabild An den R ndern des Kamerabildes muss noch die wei e Fl che des Kalibrierungsk rpers zu sehen sein die Musterpunkte m ssen dies nicht iD EUT ae Ladri Kamemand onzage E an Rule Lese i Gr ngr Laser Teicrbia areg ehe C D nns Schateninie E Hed riete Anreize digkeit Sial gt Jp di L sen FA lerhir minehmen T Kamerasid anzsije E Toturbl megn Eise amp L schen WE J Egebrniezs anzagen und spelchem Memalocn b 3I ar zeiygen Arerazeilllug 2 r Metian ilething 1 Spelchem Yretzmachen gt
2. Abbildung 64 Shape Fusion Dialog Im ersten Schritt m ssen ein bis mehrere Scanns des Objektes ber den But ton Hinzuf gen in die Liste aufgenommen werden F r eine Fusion von Ob jekten m ssen nat rlich mindestens zwei Files in der Liste sein _ 44 Laserscanner Y WGrad obj J OGrad obj Abbildung 65 Liste der zu bearbeitenden Objekte Teile Nach dem das erste Objekt File in die Liste aufgenommen wurde ffnet sich das 3D Fenster In diesem besteht die M glichkeit das 3D Dreiecknetz per Hand zu s ubern d h unerw nschte Oberfl chen zu entfernen wie z B Aus rei er oder die mitgescannte Befestigung Plattform des gescannten Objekts In dem 3D Fenster l sst sich das Objekt so um die Blickachsen drehen so dass man unerw nschte Objektelemente Ausrei er Sockel entfernen kann Eine Rotation l sst sich mit gedr ckter rechter Maustaste vollf hren dazu muss der Mauszeiger innerhalb des wei en Kreises sein Unerw nschte Ele mente lassen sich ber die beiden rot umrandeten Buttons selektieren siehe Bild 66 i ee n i 1 P T 5m p 2 A m an Di Ti i f I 5 i E ay J i s D F dJ Mit dem Rechteck Auswahlmodus l sst sich ein Rechteck variabler Gr e Abbildung 66 3D Fenster Toolleiste zeichnen indem man die linke Maustaste gedr ckt h lt Danach zeichnet man das Rechteck um die zu entfernende Objektfl che Abbildung 67
3. http www rolanddga com color support wizard default asp ft 12 amp mt 159 amp pt amp modelmenu Abrufdatum 28 12 08 5 Gemeinsamer Teil 3 Gemeinsamer Teil In diesem Kapitel werden die beiden Scannverfahren dabei handelt es sich um den Optischen und den Laserscanner vergleichend betrachtet und dessen Vor und Nachteile gegen bergestellt Des Weiteren wird eine Lightwave Szene be schreiben die die digitalisierten 3D Objekte enth lt und pr sentiert Abschlie end wird ein Gemeinsames Fazit ber die Erfahrungen mit den 3D Scannsystemen gezogen 3 1 Optischer Scanner vs Laserscanner Im folgenden werden die beiden Scannverfahren gegen bergestellt und die Vor bzw Nachteile der beiden Verfahren verifiziert Bei dieser Gegen berstel lung wurden nur die an der HS Fulda zur Verf gung stehenden 3D Scannsyste me betrachtet Kriterien Optischer Scanner Laserscanner Dauer des Erfassungs prozess des Objektes Erfolgt relativ Schnell abh ngig von der Anzahl der Bilder f r die Objekt erfassung Der zeitlicher Aufwand f r die Erfassung eines Objektes ist abh ngig von der gew hlten Aufl sung Voxel Punkt Je feiner die Aufl sung desto h her ist der Zeitaufwand Formerfassung Die Form des Objektes wird meist realistisch erfasst Die Erfassung der Form ist im Vergleich zum optischen Verfahren Detailgetreuer Erfassen von Konvex Konka
4. Dabei k nnen dieses entweder ber zus tzliche Informationen ber das Objekt oder von anderen Ab bildungen aus anderen Beobachtungspunkten ermittelt werden Sind jedoch keine Ma zugeh rigkeiten der Objektpunkte bekannt so m ssen die r umli chen Koordinaten mittels Mehrbildaufnahmen bestimmt werden Dies setzt je doch voraus das jeder zu vermessende Punkt von wenigsten 2 Aufnahme standorten aus erfasst wurde Dies geschieht bei der Vermessung ber das Tri angulationsprinzip Dabei bildet jeder Objektpunkt mit 2 Beobachtungspunkten ein Dreieck Dieses Dreieck wiederum besteht aus 3 eindeutig bestimmenden Gr en z B den Abstand zwischen 2 Beobachtungspunkten und den beiden Abbildungswinkeln Um die Raumkoordinaten zu bestimmen m ssen die ver schiedenen Objektpunkte gew hlt werden und diese in verschiedenen Abbil 3D Scanner dungen identifiziert werden Vgl Lit3 1 4 Vorbemerkung optisches Scannverfahren Der praktische Teil zum optischen Scannverfahrens wurde an der HS Fulda mit Hilfe des optischen 3D Scanners 3D ScanBook der Firma Scanbull realisiert Daher wird explizit der Erfassungsprozess von Objekten der Realit t als 3D Ob jekt mit Hilfe des Scanners der Firma Scanbull in den folgenden Abschnitten er lautert 1 5 Informationen ber Scanbull Scanbull ist eine Firma die optische 3D Scanner entwickelt und produziert Mit Hilfe dieser Scanner ist es m glich Objekte der Realit t automatisiert dreidi m
5. 320x240 15fps 24 bit 2 Bildformat ndem 2 Geben Se die Rasterweite der Kalibrierpunkte ein Abstand der Mittelpunkte der Kalibrierpunkte mm 60 00 E Invertieren 3 Kalibrierungsmodus Unterstutzung Automatisch Manueller Modus Einfach auf Kamera kalibreren klicken Kamera kalibrieren Abbildung 58 Kamerakalibrierungsmen 38 Laserscanner Falls mehrere Kameras an den PC angeschlossen wurden w hlt man die entsprechende Kamera aus ber den Button Bildinformat ndern l sst sich die Ausgabegr e des zu erfassenden Bildes Einzelbildrate und Farbspek trum definieren Der Button Einstellungen erm glicht eine Feinjustierung der Kamera auf Softwareebene in den Bereichen Helligkeit Kontrast S ttigung und Sch rfe Diese Parameter m ssen editiert werden wenn das Objekt nicht deutlich erkennbar ist Zur Kalibrierung der Software muss das Kalibrierungs muster in dem Live Bild der Kamera vollst ndig zu sehen sein sieh Bild 59 Es reicht aus das alle Punkte zu sehen sind und der Kalibrierungsk rper das ge samte Kamerabild ausf llt Auf dem Ausdruck des Kalibrieungsmuster befindet sich eine d nne Linie deren L nge man messen muss Dieser Wert gibt an wie weit die Punkte aus ihrer Mitte heraus von einander entfernt sind Diese Angabe ist f r eine korrekte Erfassung des Objektes notwendig und muss im zweiten Abschnitt des Kalibrierkungsmen s angegeben werden
6. 6 zeigt die durchf hrte Segmentierung also die Trennung des blauen Hintergrundes vom Schildkr tenpanzer Wurden die entsprechenden Hintergrundfarben korrekt erfasst bleibt nur noch das eigentliche Objekt rot eingef rbt f r den Weiterverarbeitungsprozess brig Wenn bei einem aufge nommenen Bild der Hintergrund abgew hlt wurde so kann die Software die Segmentierung des Hintergrundes auf den folgenden Bildern automatisch durchf hren Ist dies jedoch nicht der Fall bzw hat die automatische Erfassung nicht alle Farbbereiche des Hintergrunds erfasst so muss manuell bei den ein zelnen Bildern nachgebessert werden Besitzt ein zu scannendes Objekt den _8_ 3D Scanner gleichen Farbton wie der Hintergrund so f hrt dies zu Problemen und dadurch zu Modellierungsfehlern 1 7 5 Formerstellung F r die Formerstellung verwendet die Scanbull Software das sogenannte Sil houettenschnittverfahren dadurch ist es m glich echte 3D Modelle zu erzeu gen Bei dem Silhouettenverfahren werden die Umrisse eines Objektes ver wendet um daraus ein 3D Modell zu erstellen Bei diesem Verfahren nutzt man aus dass sich das Objekt immer innerhalb einer Silhouette befinden muss Wichtig hierbei ist dass f r die Visualisierung nur das Objekt betrachtet wird und der Hintergrund bereits entfernt wurde Zusammen mit der Objekt geometrie und den Fl chen des Objektes definieren diese ein konusf rmiges eine Art kugelf rmiges Volumen in welc
7. Gimp nachbearbeitet werden k nnen siehe Kapitel 1 7 9 Scannerhintergrundes besitzen oder komplett aus dieser Farbe bestehen k nnen nur bedingt eingescannt werden siehe 1 7 4 und 1 7 10 1 zweier siehe Automatisierte Vereinigung Scanns zur Rundum Ansicht Kapitel 1 7 7 1 7 8 1 7 8 1 Bei Glasobjekten schimmert der Hintergrund durch siehe 1 7 10 1 kleine Scannsystembauart D nne vom Objekt weggehende Linien wurden nicht erkannt Mausbeispiel Kapitel 1 7 10 1 1 11 Verwendete Tools Scanbull Scanner Nokia N95 f r sonstige Fotos Video Scanbull ScanBook Software Merlin Software Adobe Photoshop Gimp Open Office 3 0 Lightwave 3D Adobe Premiere 25 3D Scanner 1 12 Literatur Litt Scan Bull Handbuch ScanWare 3 3 Lit2 Merlin Benutzerhandbuch Lit3 Leitfaden zur Grundlagen und Anwendungen der optischen 3 D Mess technik Fraunhofer Allianz Vision Lit4 Leitfaden zur optischen 3 D Messtechnik Lit5 c t 3 1999 Virtuelle Pirouette heise Verlag Lite c t 3 2000 Klappe auf 3D Volumenschnitt Scanner heise Verlag Lit7 c t 7 2007 heise Werkst cke in 3D Daten wandeln Weblinks Weblink 1 Weblink 2 Weblink 3 Weblink 3a Weblink 4 Weblink 5 Weblink 6 Weblink 7 http www heise de jobs Scanbull produziert Scanner auf Bo chumer Nokia Gelaende news meldung 114090 Abrufdatum 01 1
8. Vorher muss das 3D Objekt jedoch so in Position gedreht werden dass der neu zu erfassende Bereich auf dem Monitor zu se hen ist Die Tastenkombination Leerzeichentaste linke Maustaste dient dazu dass 3D Objekt in die gew nschte Position zu bringen Durch eine Bewegung der Maus nach links oder rechts dreht sich das 3D Objekt in die entsprechen de Richtung Die Ausrichtung des Objektes ist nur dann n tig wenn ein Ebe nenscann durchgef hrt werden soll Durch die Positionierung am Monitor wird 33 Laserscanner das Objekt im Laserscanner in die entsprechende Position gedreht rota 2 pij Dr PICZA3 Datei Bearbeiten Ansicht W hlen Hilfe a E l Ca a A Al SCAN _ gi Ebene Neuscan Abbildung 53 Men des Neuscann Button Mit gedr ckter Linker Maustaste definiert man den erneut zu scannenden Be reich siehe Bild 54 Nach dem diese Schritte gemacht wurden w hlt man wiederum den Scann Button und konfiguriert die Scann Optionen wie gewohnt und definiert die H hen und Umfangsunterteilungen Abbildung 54 Definition des Scannbereiches Das beschriebene Vorgehen eignet sich auch f r eine Detailgenauere Erfas sung um einzelne Bereiche exakter zu digitalisieren als die brigen Fl chen des Objektes Bei den meisten zu digitalisierenden Objekten ist es nicht m glich diese in ei nem Scannvorgang zu erfassen Das kann unterschiedliche Gr nde haben Zum einen bestehen die meisten Objekte
9. einer Lichtebene Ouelle Lit_3 99 Laserscanner 2 2 Arbeitsweise des Roland LPX 250 Der Roland LPX 250 arbeitet auf Basis der einfachen Triangulationsmethode Dabei wird die Objektoberfl che in regelm igen Abst nden abgetastet und die einzelnen Punktkoordinaten zu Polygonen verbunden Das Objekt befindet sich hierbei auf einem Drehteller und wird so an dem Laser vorbei gef hrt Nach ei ner vollen Umdrehung vorerst soll diese Annahme ausreichen wird der Laser kopf und der Detektor im weiteren Scannkopf genannt um eine H heneinheit nach oben verschoben Dieser Vorgang wird so lange wiederholt bis das Objekt bzw der definierte Scannbereich einmal vollst ndig erfasst wurde Bei der Positionierung des Objektes sollte man darauf achten dass dieses sich immer im Zentrum des Drehtellers befindet siehe Bild 48 Einzigste Ausnahme ist der Scann einer Ebene hierbei sollte das Objekt so nahe wie m glich an den Laser positioniert werden Yes Abbildung 48 Richtige und falsche Positionierung eines Objektes bei Rotationsscann Quelle Lit_4 Neben der Positionierung ist auch die Oberfl chenbeschaffenheit eines Objek tes von Bedeutung Das Ergebnis der Digitalisierung variiert je nach Art der Ma terialien aus dem das Objekt besteht Transparente Objekte aus Glas oder Plastik reflektieren das Laserlicht nicht bzw ist das reflektierte Laserlicht nicht stark genug um einen exakten Positionswert errec
10. nun auf den Start Button klickt um den Scannvorgang zu starten nimmt man die Laserline aus der Szene Nun l sst man die Laserlinie ber das Objekt streichen dabei ist es wichtig das die Bewegungsgeschwindigkeit an die Belichtungszeit der Kamera ange passt ist Das hei t bei gro er Belichtungszeit eine kleine Bewegungsge schwindigkeit Ebenso sollte die Reduzierte Anzeigeh ufigkeit aktiviert sein Durch diese Option wird das Fenster Scann Ergebnis nur einmal pro Sekun de aktualisiert ja nach Hardware Prozessor RAM l sst sich ein Objekt damit schneller scannen In dem Fenster Scann Ergebnis erh lt man ein Livebild ber die Teile des Objektes die ausreichend gescannt wurden bzw welche Teilbereiche noch einmal berstrichen werden m ssen Das 62 ist zeigt das Ergebnis eines Scannvorganges 41 Laserscanner Abbildung 62 Livebild Scannvorgang Die Farbe der Pixel repr sentieren den Abstand des jeweiligen Oberfl chen punktes zur Kamera Den genauen Abstand in Millimeter wird im unteren lin ken Fensterrand angezeigt wenn man den Mauszeiger ber den entspre chenden Punkt bewegt Theoretisch kann man ein Objekt so oft scannen wie man will Die besten Er gebnisse erzielt man wenn der Laser an einer Position gehalten und von da aus ber das Objekt gestrichen wird ber den Button Stop wird der Scann vorgang beendet Das gescannte Objekt l sst sich in 3D d
11. r diese Ansicht einen erneuten Scann durch Der Drehwinkel ist hierbei abh ngig von der Objektform im einfachsten Fall reicht ein Drehung um je weils 90 Die einzelnen Scanns sollten dabei immer separat gespeichert wer den Nach dem das Objekt aus den entsprechenden Positionen erfasst hat m ssen diese nun richtig kombiniert werden Dies erfolgt durch den Dialog der ber den Weiter Button erreichbar ist 43 Laserscanner 2 3 4 Shape Fusion Der Dialog Shape Fusion erm glicht die Zusammenf gung mehrere 3D Scanns eines Objektes Die aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu einem 360 3D Objekt zusammen gesetzt werden sollen Nicht nur das Zusammen f gen ist in dem Shape Fusion Dialog m glich ebenso kann man Ausrei er entfernen die nicht zu dem Objekt geh ren Weitere Funktionen sind die halbautomatische und automatische Oberfl chenregistrierung so wie eine Rausch Reduzierung f r die Struktur Gl ttung Die folgenden Seiten be schreiben die einzelnen Arbeitsschritte um ein 360 Dreiecknetzes eines Ob jektes zu erstellen Das Bild 64 zeigt den Shape Fusion Dialog I elen He Ar ite der Sinselnen aana auf Hrg Erler Eorbrewi Lrizo zado J Werschmelzen der Seona Puaonaung des Orcieckanelzca Yerschmelren Bidz i Theann Schrmpecn 4 Ingehnssr anregen und pechem iB lrans anria Erzcana dior Vorachmekung 2201267 malal Er lunysr r Zuruch ei gt
12. werden so m ssen von einigen Bildern der einzelnen Scannvor g nge Bilder gew hlt werden und dabei eine Referenz von Bild des Scannvor gang 1 mit Scannvorgang 2 ber einen gemeinsamen Referenzpunkt durch gef hrt werden Anschlie end berechnet die Software das Modell wieder auto matisch In der Regel ist der manuelle Schritt nicht notwendig 1 7 8 1 Resultat aus 2 Scanns eines Objektes Hier wird nun nachdem das Mischen der beiden Objekterfassungen durchgef hrt wurden das gescannte Resultat des Schildkr tenpanzers gezeigt w Ad Abbildung 18 Abbildung 19 gemischtes Abbildung 17 gemischtes 3D 3D Modell unten gemischtes 3D Modell Seite Modell Seite Das 3D Objekt kann anschlie end noch mit externen Programmen wie z B Light wave Moduler oder auch dem von Scanbull Nachbearbeitungssoftware Merlin siehe Kapitel 1 8 nachbearbeitet werden Auf den Abbildungen 17 18 19 ist zu erkennen das der Schildkr tenpanzer voll st ndig erfasst wurde und dadurch eine Rundum Ansicht m glich ist Damit wur de nun das vollst ndige Objekt erfasst und kann nun weiterverarbeitet werden in dem es in den verschiedensten Programmformaten abgespeichert werden kann dies wird im n chsten Abschnitt 1 7 9 erl utert 16 3D Scanner 1 7 9 Formate Exportm glichkeiten Scandateien als Nachbearbeitungsm glichkeit Die Software ScanBook 3 36 von Scanbull ist in der Lage das
13. wurde der vorhandene Scanbull Fotoscanner und die vorhandene Software des CAE Labores der HS Fulda verwendet Es wird das Silhouettenverfahren erl utert mit welchem die Software arbeitet Diese Vorgehensweise ist in etwa deckungs gleich mit den Arbeitsabl ufen optischer Scanner anderer Hersteller Siehe auch c t 3 2000 Lit6 Scanner von Dimension 3D Systems 1 7 1 Konfiguration Der 1 Schritt zu Beginn des Scannvorganges dient der Konfiguration und vor allem der berpr fung der Scannerkomponenten Diesbez glich kann ber pr ft werden ob die Komponenten korrekt mit dem Computer verbunden sind und funktionieren Es kann die Digitalkamera ausgew hlt und getestet wer den sowie die Kontrolle ob der Drehteller des Scanners richtig angeschlos sen ist und daraufhin die Software in der Lage ist diesen zu drehen berpr ft werden Zudem kann auch die Beleuchtung des Scanners berpr ft und f r den Scannvorgang aktiviert werden Als Digitalkameras hier Nikon 5000 Auf l sung bis zu 2560x1920 k nnen zum Scannen nur zur Software kompatible Modelle verwendet werden die in dem so genannten PTP Modus picture transfer protocol ber den Computer arbeiten Der PTP Modus ist dazu da dass die Bilder sofort an den Computer bertragen werden und nicht im Ka mera Speicher abgelegt werden Bevor mit dem Scannvorgang begonnen wird ist nat rlich darauf zu achten dass die Kamera angeschaltet ist und das Kamera Viewing Volumen Objektiv F
14. 2 2008 http www heise de newsticker 3D Scan Technik fuer unter wegs meldung 116402 Abrufdatum 01 12 2008 http www scanbull de Abrufdatum 01 12 2008 http www scanbull de web pdf scanware pdf Abrufdatum 01 12 2008 http www sci script de 3D_Info html Abrufdatum 01 12 2008 http iphome hhi de eisert papers fktg2006 pdf Abrufdatum 02 12 2008 http www scanbull de web start php Abrufdatum 01 12 2008 http de wikipedia org wiki Triangulation_ Messtechnik 96 Laserscanner 2 Laserscanner Das zweite Kapitel dieser Ausarbeitung befasst sich mit dem aktiven Scannver fahren des 3D Laserscanners von Roland Typbezeichnung LPX 250 sowie der alternativen Software David Laserscanner In dem ersten Teil sollen die Grundla gen von 3D Laserscanner betrachtet werden Im zweiten Teil die Arbeitsweisen der beiden Laserscanner Darauf folgt ein Praktischer Teil der die Entstehung ei nes 3D Objektes beschreibt 2 1 Grundlagen des Laserscanning Lasersanning zu deutsch Laserabtastung bezeichnet einen Vorgang der Ob jekte beliebiger Gr e in ein digitales Raster wandelt Ein Laserscanner be steht aus zwei grundlegenden Elementen Aus dem Laser der auch als Emitter bezeichnet wird und aus dem Detektor Kamera Dabei empf ngt der Detektor das von dem zu scannenden Objekt reflektierte Laserlicht Das ganze Verfahren zum Erfassen des Objektes basiert auf dem mathematischen Prinzip der Trian gulation Der Las
15. M SC Hochschule Fulda WS2008 2009 University of Applied Sciences Computer Graphics Ausarbeitung zum Thema 3D Scanner Autoren Teil 1 Sippel Tobias Optischer Scanner Teil 2 Lorei Christian Laserscanner Inhaltsverzeichnis 13D Scanner au 1 1 1 0ZU penougdt man 3D ScCanhet ran 1 1 2 Unterscheidung der grundlegenden Arten von 3D Scannen 2 0222022002n0snnnnenneenenenn 1 1 3 Allgemeine Grundlagen 3D Fotoscanner 02220220020000n0nnnn anno nen nnn anne nenne nennen 1 1 4 Vorbemerkung optisches Scannverfahren 02220022002000000nnnnnnnnnnenennnn nenne nnnnennennnennnnen 3 1 5 Informationen ber Scanbull 00220222002000000nnnnnnnnnn nennen ennnnnnn nenn nenne nennen en nnenn 3 1 5 1 Vorgehensweise der Scanbull Scanner 02200220020002000000nnn nennen nne anne nennen 3 1 5 2 verschiedene Modelle der Firma Scanbull u2 20220022002200200 nen ennnennnennnneen 4 ECOPISCheEFotOSCaNNE ei E E N AIN 4 1 6 1 Technische Daten des Scanners 20024022002200200 0000 nnnn none nnn nano ann nenn nennen ann nn nn nnnnnnnn 4 1 6 2 Informationen zum Programm Scanbook 02s0222022002n0nnnonnnennnnnnnnnennenn nennen 5 1 7 3D Scannen mit dem Scanner Scanbull 022u0220022002000000 000 ann nnn ann anne nenne nennen 5 ILS ONIGUA ONE ee ee ee ee 5 1 E2S
16. Modell in den Formaten SPX Modell SPX 3D Studio 3ds und in Form einer HTML html zu Speichern Zudem speichert das Programmen bereits beim Anlegen eines neuen Projektes das Modell im eigenen Format cfg ab S mtliche Bild dateien legt das Verzeichnis in Unterordnen ab in welchem das Projekt ange legt wird So werden alle Objektaufnahme Bilder unter ciXXXX bmp abge legt Alle Bilder f r die Kalibrierung mit mctrXXXX bmp Alle Bilder die das Objekt nach der Segmentierung definieren sind als schwarz wei Bitmaps mit dem Namen keyXXXX bmp abgespeichert Die XXXX bei den Dateinamen stehen jeweils f r eine Zahl mit 4 Stellen Die XXXX Zahlen stellen zudem eine Verkn pfung der Objektaufnahme Bilder und den Sementierungsbildern her XXXX Bild der Objektaufnahme Bild der Segmentierung Alle diese Bilddateien k nnen nachtr glich mit einem externen Bildbearbeitungspro gramm z B mit Adobe Photoshop oder Gimp nach bearbeitet werden Da durch kann man den Verarbeitungsvorgang des Scanns manipulieren Demzu folge kann man nderungen z B an der Textur bewirken Diese nderungen sind nat rlich sehr aufwendig da diese im Prinzip auf alle Objektbilder durch gef hrt werden m ssen bzw auf denen die f r die Texturierung ausgew hlt werden Wie bereits in Kapitel 1 7 4 Segmentierung angesprochen kann es zu Problemen f hren wenn das zu scannende Objekt Farben des Hinter grunds blau enth lt W hl
17. R ADNOT UNO ea ee ae ren 6 1 7 3 ODjeKlalihanme uzse er linie T 1 14 Segmentler ng aussen seele 8 ERS FONES lelungan ES AAEE A 9 10 TEXUNCIUNO ceini ee eltern 12 1 7 1 ZWelter SCannVorgand une 14 TOMSON haea ena ee ee rer E S 15 1 7 8 1 Resultat aus 2 Scanns eines Objektes 0022200200002enennennn nennen 16 1 7 9 Formate Exportm glichkeiten Scandateien als Nachbearbeitungsm glichkeit 17 1 7 9 1 Exportm glichkeit f r Lightwave 20022u0ssnuensnnnenennnnenennnnnnnene nenn 19 1 7 10 Weitere Scanbeispiele u un u nung 19 1 27 20 1 PIODIEMIAl E E ee ee A ee as 19 1 7 10 2 Sonstige Objektaufnahmen modelliert als 3D Objekt 22 1 8 Nachbearbeitungstool Merlin Hinweis gr tenteils nicht anwendbar 22 1 8 1 M glichkeiten der Nachbearbeitungssoftware u0220220022002n0nnnnnnennenneennnenee 23 1 9 IMPOrllerem Im LIgntWave sarah 24 1 10 Vor und Nachteile des Optischen Foto Scanners 2 002002202200202n nn nnennnnenn nennen 25 LIT verwendete TOOS erns nennen 25 A E AEE 2 U ee erlernen 26 2 LaSerSCanNer u 22a a Da a a a age 27 2 1 Gr ndlagen des LaserseanniNgseeaeiereeieee 27 2 2 Arbeitsweise des Roland LPX 280 22u0200200200000000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnn 30 2 2 1 Art des Scannverlahren nanane elek 31 2 2 2 Technische Daten des LPX 250 Sca
18. SB Flash Drive No no was License Price Free 159 00 179 00 50 Laserscanner 2 6 Verwendete Hard und Software f r diese Ausarbeitung Roland Laserscanner Das an der HS Fulda zur Verf gung stehende System und dessen Software e Dr Picza3 0 e Pixform e Openoffice e LightWave e Adobe Premiere Polytrans David Laserscanner Laser Kamera Software Klasse 1 Modell DMV MM O2 Fabr Dario Logitech Webcam QuickCam Communicate STX Aufl sung 640x48 David Laserscanner Version 2 2 1 Freeware 2 7 Literaturverzeichnis Lit 1 Leitfaden zur Optischen 3 D Messtechnik Frauenhofer Institut Lit 2 Model based Analysis and Evulation of Point Sets from Optical 3D Laser Scanners Shaker Verlag 2007 Lit 3 Leitfaden zur Grundlagen und Anwendungen der optischen 3 D Messtechnik Frauenhofer Institut Lit 4 LPX 250 User s Manual http www rolanddga com rnet30 files support Ipx250_users pdf Lit 5 Low Cost Laser Range Scanner and Fast Surface Registration Approach Springer Berlin Heidelberg 2006 Lit_6 3D Laserscanner Fachbereich Al Jeronimo Werder Weblinks W link_1 http www david laserscanner com Abrufdatum 14 12 08 W link_2 http www david laserscanner com wiki Abrufdatum 14 12 08 W link_3 http www david laserscanner com section Buy Abrufdatum 28 12 08 W link_4 http www rolanddga com Abrufdatum 28 11 08 W link_5
19. Scanbook 1 6 Optische Fotoscanner Dieser Abschnitt besch ftigt sich dem optischen Fotoscanner Dabei werden auf grundlegende Dinge des Scannverfahrens mit dem Scanner eingegangen so wie die einzelnen Bearbeitungsschritte erl utert 1 6 1 Technische Daten des Scanners 3D Scanbook Abmessung des Scanners 40x42x6 cm L B H zugeklappt Max Beladung des Drehtellers 4 kg Scanbares Volumen Objekt gr e 20 cm Durchmesser x 25 cm H he Verwendetes Scanverfahren Silhouetten Verfahren Quelle Scanbull Handbuch Lit1 3D Scanner 1 6 2 Informationen zum Programm Scanbook Das Programm ScanBook 3 36 ist das Hauptscannprogramm welches bei dem Scanbull Scanner von Scanbull mitgeliefert wurde Die Software wird be n tigt um den eigentlichen Scanvorgang durchzuf hren Dabei ist die Softwa re in der Lage die Komponenten des Scanners dies sind Digitalkamera Drehteller und Beleuchtung zu kontrollieren Die Applikation ist diesbez glich in der Lage die erfassten Informationen zu nutzen um das gew nschte 3D Objekt zu erzeugen 1 7 3D Scannen mit dem Scanner Scanbull In dem folgenden Unterabschnitten wird erl utert welche Schritte durchlaufen werden m ssen um ein Objekt der Realit t mit einer Gr e bis 20 cm 25 cm und einem Gewicht bis 4 KG Daten laut Scanbull Handbuch Lit1 als eine di gitale Visualisierung in Form eines Modells zu erzeugen Diesbez glich
20. Selektieren von Ausrei ern 45 Laserscanner Der Polygon Auswahlmodus erlaubt es ungewollte Objektfl chen zu entfer nen In diesem Modus klickt man mit der linken Maustaste die Eckpunkte an um die zu entfernende Oberfl che zu umschlie en Mit der Enter Taste ver l sst man den Modus Die selektierten Bereiche werden rot eingef rbt und k nnen mit der Entf Taste gel st werden Nach dem dies f r alle Einzelfiles des digitalisierten Objektes durchgef hrt wurde folgt nun die Fusion der einzelnen Files F r eine bessere bersicht lassen sich mit dem Knopf Anordnen die Objekt Teile nebeneinander aus richten Bild 64 Um die Dateien zu einem 360 3D Objekt zusammen zuf hren benutzt man den Ausrichten Button In dem sich nun ffnenden Dialog w hlt man die ent sprechende Operation Registrierungsmodus aus die man paarweise auf die Objekt Files anwenden m chte Dabei kann man aus den folgenden sechs Modies w hlen e Freie Drehung Hierbei findet eine grobe Registrierung zwischen zwei Scanns statt Dabei bestehen keine Beschr nkungen bzgl Rotation oder Translation der Objekte Die Wiki Seite von David beschreibt die Funktion so Die Software sucht dabei nach derjenigen relativen Transformation zwi schen zwei Scanns die eine maximale Kontaktfl che aufweist Dies funktioniert in den meisten aber nicht in allen F llen e Rotation nur um die X Achse Y Achse Z Achse Bei diesen d
21. arbeitet nach dem bekannten Prinzip des Lichtschnittverfahrens Nachdem die Kamera kalibriert wurde kann das Objekt vor dem Kalibrie rungsk rper positioniert werden Mit der Erfassung kann begonnen werden Dazu f hrt man die Laserlinie mehrmals ber das Objekt Die Geschwindigkeit in der man die Linie ber das Objekt laufen lassen kann ist abh ngig von der Belichtungszeit der Kamera Ebenso ist darauf zu achten das der Abstand zwi schen Kamera und Laser also der Triangulationswinkel sehr gro seien soll um eine hohe Formgenauigkeit zu erzielen Sollte diese oder andere Bedin 3 http www david laserscanner com 4 Auf die Besonderheiten der Kostenpflichtigen Pro Version wird sp ter eingegangen Kapitel 2 5 rn Laserscanner gungen nicht erf llt sein teilt einem die Software dies mit Weiter Bedingun gen sind Die Laserlinie ist ber das gesamte Bild zu sehen Der Triangulationswinkel ist nicht groB genug Laserlinie muss erkannt werden 2 3 2 Kalibrierung der Kamera Im ersten Schritt nach dem Starten der Software muss eine Kalibrierung der Kamera vorgenommen werden Voraussetzung ist das die Kamera unter Win dows korrekt installiert wurde Die Kalibrierung der Kamera dient dem Zweck dass die Software des David Projektes die eingehenden Daten exakt erfasst und verarbeitet Nach der Sprachwahl ffnet sich das Kalibrierungsmen sie he Bild 58 ES DAVID Laserscanner Logitech QuickCam Communicate STX
22. arstellen ber den Button In 3D an zeigen Mit der rechten Maustaste kann man das Objekt in dem neuen Fens ter drehen siehe Bild 63 Befindet sich der Mauszeiger au erhalb des wei en Kreises l sst sich das Objekt um die Blickachse drehen Mit dem Mausrad kann das Objekt skaliert werden ber die drei Filterparameter Interpolieren Average Gl ttung Median Gl ttung l sst sich das Scann Ergebnis ver ndern welche direkt im 3D Fenster zu sehen sind F r einen neuen Scann nutzt man den L schen Button und f hrt die zuvor beschriebenen Schritte erneut aus In dem zweiten Abschnitt des David Scann Dialog kann man die Textur des Objektes welches man digitalisiert ber den Erfassen Button festhalten Das Objekt sollte hierf r entsprechend ausgeleuchtet seins ber den Button Kameraeinstellung l sst sich diese wieder so konfigurieren das die Texturfar 5 Hier f r eignet sich am besten diffuses Licht 42 Laserscanner ben erfasst werden k nnen Texturkoordinaten werden in OBJ Format gespei chert um diese auf die Objektoberfl che abzubilden Um das Objekt mit der Textur in 3D zu betrachten nutzt man den Button In 3D anzeigen Das fol gende Bild zeigt eine gescanntes Objekt mit Textur TB Fenzter f r Hilfe FT arsekenl EINZE ARRANA HAIE Abbildung 63 Scannversuch eines DECT Telefons Um ein 360 3D Modell zu erzeugen dreht man das Objekt jeweils weiter und f hrt f
23. ationen und einige andere nicht genannte Funktionalit ten 1 9 Importieren in Lightwave Um das gescannte Objekt in Lightwave importieren zu k nnen ist es notwenig dies in einem Format abzuspeichern das auch von Lightwave unterst tzt wird Die Scanbullsoftware ist in der Lage das 3D Modell im 3DS Format abzu speichern Dieses kann im Layouter und auch im Modeler importiert werden 24 3D Scanner 1 10 Vor und Nachteile des Optischen Foto Scanners Optischer Scanner Vorteile Nachteile Das Erfassungsprozess eines Objektes geschieht relativ schnell Vereinigung mehrerer Scanns ben tigt viel Zeit hohe Rechenleistung notwendig siehe Kapitel 1 7 8 Die Form des 3D Objektes wird meist realistisch erzeugt siehe Kapitel 1 7 5 Nachbearbeitungssoftware Merlin lauft sehr instabil siehe Kapitel 1 8 Es werden automatisiert die Texturen des realen Objektes bernommen siehe Kapitel 1 7 6 Probleme mit konkaven Gegenst nden siehe Kapitel 1 7 5 und 1 7 10 1 Exportm glichkeit zu den g ngigsten Spiegelnde Gegenst nde bereiten Formaten u a 3D Studio welches von Schwierigkeiten siehe Kapitel Lightwave 3D importiert werden kann 1 7 10 1 siehe Kapitel 1 7 9 1 9 Alle Scannzwischenschritte werden Objekte die Farbanteile des als seperate Bilddateien abgelegt die manuell mit Hilfe eines externen Grafikprogrammes wie Adobe Photoshop oder
24. aus mehreren Fl chen die nicht auf einmal erfasst werden k nnen wie z B Draufsicht Unteransicht oder wie be reits erw hnt der Einfallswinkel des Lasers ist zu klein Das folgende Bild zeigt einen 360 Scann einer Vase deren Form einer zerdr ckten Dose ent spricht 34 Laserscanner Abbildung 55 360 Vasen Scann fehlender Boden und Deckelbereich Um dennoch ein mehrfl chiges Objekte ganz zu erfassen scannt man diese aus unterschiedlichen Positionen Daf r platziert man das Objekt in verschie denen Positionen so auf dem Drehteller dass alle Fl chen des Objektes ab getastet werden k nnen Im Fall der Vase ist das Erfassen des Bodens und des Deckels erforderlich Abbildung 57 Plane Scann Boden Abbildung 56 Plane Scann Deckel Um nun die einzelnen Dateien zu einem Objekt zusammen zu f hren steht die Software Pixform zu Verf gung Um das digitalisierte Objekt in Pixform bearbeiten zu k nnen ist eine Exportie rung der Daten in das PIX Format n tig 35 Laserscanner F r die weitere Arbeit und das Zusammenf gen einzelner Scanns mit der Software Pixform m chte ich auf das PDF 3D Laserscanner verweisen Ab Seite 19 ff wird die Vorgehensweise beschrieben Ebenso ist die weite re Vorgehensweise beschrieben um das zusammengef gte Objekt in ein passende Lightwave Format Iw zu exportieren 2 2 2 Technische Date
25. bearbeiten was sehr aufwendig w re Eine andere Variante w re mit anderen Nachbearbeitungstools z B Merlin oder Lightwave Moduler andere Texturen auf das Objekt zu mappen was nat rlich zum Verlust von der realisti schen Textur f hrt F hrt man keine nderungen der Textur durch und wurden die Segmentierungsfehler beseitigt so schimmert der blaue Hintergrund siehe Abbildung 34 Abbildung 36 durch Abbildung 35 Foto Abbildung 36 3D ER 34 3D ne Objekt Glasbeh lter Objekt Glasbeh lter 21 3D Scanner 1 7 10 2 Sonstige Objektaufnahmen modelliert als 3D Objekt Unter diesem Abschnitt sind noch weitere Scanns zu begutachten die im Rah men der Ausarbeitung gescannt wurden Abbildung 38 3D ee 39 3D Abbildung 37 3D Objekt Huhn Objekt Delfin Objekt Stein Die 3D Objekte der Abbildungen 38 39 37 verfasst das Scannsystem relativ gut Bei den Objekten 39 und 37 wurden ordnungsgem auch die L cher erkannt und diese ausgeh hlt 1 3 Nachbearbeitungstool Merlin Hinweis gr tenteils nicht anwendbar Das Nachbearbeiten mit der Scanbull Software Merlin war jedoch im CAE La bor so gut wie NICHT durchf hrbar da viele Aktionen der Objektbearbeitsungs vorg nge zum Absturz der Applikation f hrten siehe Abbildung 40 Nach Infor mationen auch aus der Software sowie dem Merlin Handbuch Lit2 sollten fol gende M gl
26. ber 3D Scanner Beide 3D Scannsysteme sind f r den produktiven Einsatz geeignet Als ein ent scheidendes Kriterium zur Auswahl eines Systems muss man sich ber den Einsatzzweck im klaren sein Das bedeutet legt man Wert auf eine detailge treues 3D Objekt in Bezug auf die Form f r Konstruktionszwecke so spricht dies f r den Laserscanner Legt man jedoch den Fokus auf das allgemeine Aus sehen des Objektes mit Texturierung f r Pr sentationszwecke so spricht dies f r den optischen Fotoscanner Jedoch ist der Fotoscanner bei Objekten aus Glas und reflektierenden Oberfl chen f r eine Formerfassung besser geeignet Viele Verarbeitungsschritte zur Erzeugung eines 3D Modells sind bereits auto matisiert F r einen mobilen Einsatz eignet sich das optische System besser als das La serscannsystem in Bezug auf die an der HS Fulda vorhandenen Systeme da das optische System aus mehreren kleineren Einzelkomponenten besteht Eine Optimierung der Hardwarekomponenten ist durch diese Individualisierung re lativ einfach m glich z B bessere kompatible Kamera Der David Laserscanner eignet sich f r den kosteng nstigen Einstieg mit In vestitionskosten schon ab 30 in das Thema 3D Scanning Um bessere Re sultate erzielen zu k nnen sind auch hier einzelne Komponenten durch leis tungsf higere Komponenten ersetzen 6 http www2 fh fulda de caelabor inhalte Lightwavel einfuer oldhouse altes_haus_neu htm 56
27. bildungseigenschaften der Kamera und ber das aufgenommene Objekt vorhanden sein muss Diesbez glich m ssen be reits vor der Aufnahme zus tzliche Vorbereitungen durchgef hrt werden Dabei m ssen durch den Einsatz von Hilfsmitteln und Ger te sichergestellt werden dass alle relevanten Informationen vollst ndig und in angemessener Qualit t er mittelt werden k nnen Dies wird durch das Verwenden von Orientierungs und Kalibrierungshilfen erreicht daher nennt man dies auch Kalibrierung Dennoch w re nach Quelle Lit3 prinzipiell jede fotografische Aufnahme photogramme tisch auswertbar wird z B bei historischen Bildern gemacht F r die Auswer tung stehen heutzutage CCD charged coupled device oder CMOS Kameras leistungsf hige Computersysteme und komplexe Software zur Verf gung Um eine Auswertung vorzunehmen muss die Abbildungsgeometrie bei der Kamera f r die innere Orientierung bekannt sein Der Abstand des Projektionszentrums von der Bildebene wird durch die Brennweite des Objektives der Kamera defi niert Dadurch wird zudem auch der Abbildungsma stab bei gegebenen Ob jektabstand festgelegt Es l sst sich f r jeden sichtbaren Bildpunkt der Einfalls winkel berechnen wenn der Bildhauptpunkt in der Projektionsebene bekannt ist Dieser wird durch die Objektivachse bestimmt Zus tzlich zu den Richtungs zuordnung der Objektpunkte werden auch deren Abst nde zur Kamera ben tigt um eine r umliche Rekonstruktion durchzuf hren
28. dnungsgem erkannt haben ansonsten schl gt die Kalibrierung fehl Der Kalibrierungsvorgang wird nach Auswahl des Musters automatisch durchf hrt vgl Lit1 Abbildung 3 Kalibierungsmuster Abbildung 4 Muster auf Teller 3D Scanner 1 7 3 Objektaufnahme Wurde die Kalibrierung erfolgreich beendet so erfolgt nun die Objektaufnah me Das Kalibrierungsmuster ist nun zu entfernen und anstelle dessen das zu scannende Objekt auf den Teller zu stellen Es muss bei der Scannsoftware nun eingestellt werden wie viele Bilder der Scanner schie en soll Dabei sind 4 Bilder das Minimum an Bildern und 72 das Maximum um ein Objekt zu er fassen Je mehr Bilder von einem Objekt erzeugt werden desto besser wird in der Regel das Resultat Je mehr Bilder man w hlt um so l nger dauert nat r lich auch die Aufnahmezeit Jedoch bekommt man auch schon mit einer gerin gen Bilderzahl relativ gute Resultate F r die von mir durchgef hrten Aufnah men habe ich in der Regel 20 Bilder gew hlt und dabei gute Resultate erzielt Zudem lassen sich noch eine Aufnahmeverz gerung aktivieren Diese Verz gerung ist zu beachten wenn man elastische bewegliche Objekte einscan nen will F r meine Scannversuche verz gerte ich hier 1 Sekunde FRBBBEB Abbildung 5 Das zu scannende Objekt in der Bildmitte Es empfiehlt sich die Akquisition auf Automatik zu belassen Dadurch dreht das Programm automatisch den Telle
29. e Im folgenden sollen die bei den Scannverfahren betrachtet werden die ber die Software Dr Pixza3 0 zu Verf gung stehen Bei dem Rotationscann f hrt der Drehteller eine volle 360 Umdrehung durch und f hrt so eine Ebene des Objektes an dem Laser vorbei Danach wird der Scannkopf um eine H heneinheit versetzt In dem entsprechenden Men las ale Laserscanner sen sich die Optionen f r die H henunterteilung vornehmen die kleinstm gli che Unterteilung in H he betr gt 0 2mm Desweiteren kann der Umfang des Objektes in bis zu 0 2 Grad unterteilt werden Das hei t dass auf eine 360 Umdrehung 1800 Messpunkt auf das Objekt gesetzt werden Bevor man einen Scann startet ist es von Vorteil vorher eine Vorschau zu erstellen Dabei erstellt die Software eine Grobdarstellung des Objektes und begrenzt den zu erfassenden Bereich in der H he Gerade bei einer hohen Aufl sung ist die Zeitdauer des Scannvorgangs extrem lang Das Folgende Bild zeigt das Men der Pixza Software f r einen Rotationsscann t instelluneen zum Scannen SE Peg ne foo rm Umkangsrehbang un 00 deg a 50 00 deg a z el a j A ICE Vorschau Ertordericher Umfangstalung Hohenrchtungsteilung Speicher 21 253 MBytes i nn N rm Pe min A Scanzick deg a Abbrechen Abbildung 51 Dr Pixza Scannmen Der Ebenenscann Planescann unterscheidet sich zum Rotationsscann da hi
30. en unscharf entstehen Diesbez glich ver gleiche Abbildung 43 und Abbildung 44 Wie bereits beschrieben Abschnitt 1 7 9 w re dies auch bei der normalen Scannsoftware m glich gewesen dort jedoch m ssen alle f r die Texturierung verwendeten Objekterfassungs dateien abge ndert werden Abbildung 43 3D Abbildung 44 3D Objekt Mandarine Objekt Mandarine original Textur ge nderte Textur 93 3D Scanner Weitere M glichkeiten Weitere M glichkeiten von Merlin ist das Durchf hren einer Ab nderung der Farbwerte sollte die Farbe des 3D Modells stark von dem des Originals ab weichen Dies kann z B auftreten wenn der Wei abgleich der Kamera nicht richtig eingestellt gewesen war Merlin bietet die M glichkeit zum Bemalen der Textur des 3D Objektes recht primitiv Dabei k nnen auch Elemente aus externen BMP und JPG Dateien aufgebracht werden Definieren der Materialfarbe dies kann auch Reflexion und Transparenz be r cksichtigen Wirkt sich nur aus wenn das Objekt keine Textur hat Rotieren Skalieren Bewegen des 3D Modells Erstellen einer Viewpoint Animation Kamera Schwenk ber das 3D Modell aus definierten Kamerapositionen Hinzuf gen von Labels und Aktionen zum 3D Modell beim SPX Modell dies bietet sich an falls das Objekt auf eine Internetseite eingebunden wird Die Aktionen sind Hinweistexte Hyperlinks Viewpointanimationen Sichtbar keitstransform
31. enpanzers von unten Aus diesem Grund ist wie in Abbildung 12 zu sehen die Software nicht in der Lage eine Ann herung der realen Struktur sowie eine originalgetreue Textur f r die Unterseite des Schildkr tenpanzers zu erzeugen Es besteht die M g lichkeit einen 2 Scannversuch zu unternehmen Auf diese Thematik wird im folgenden Unterpunkt 1 7 7 eingegangen EER 3D Scanner 1 7 7 Zweiter Scannvorgang Der 2 Scannversuch hat dem Zweck das zu scannende Objekt in einer ande ren Stellung auf den Scannerteller zu platzieren und einzuscannen Dadurch kann eine Erfassung der Bereiche des Objektes erfolgen welche im 1 Scan versuches nicht erfasst werden konnten und somit auch zuvor von der Kame ra nicht erfasst werden konnten In diesem Fall wurde der Schildkr tenpanzer seitlich auf den Teller platziert wie in Abbildung 13 zu sehen ist Abbildung 13 Schildkr tenpanzer mit der Seite auf Teller gestellt F r den 2 Scann m ssen die kompletten Arbeitsabl ufe von Kapitel 1 7 2 Ka liprierung bis 1 7 6 Texturierung erneut durchgef hrt werden Anschlie end Abbildung 14 2 Scann Abbildung 15 2 Scann 3D 3D Fl chenmodell Texturmodell des Panzers R ckseite 14 3D Scanner m ssen die beiden Scann miteinander kombiniert werden 1 7 8 Mischen Die Abbildung 15 zeigt das Modell nach dem 2 Scann des Schildkr tenpanzer von der Unterseite Somit wurde n
32. ensional zu erfassen um diese digital zu visualisieren Das Unternehmen Scanbull hat seinen Hauptsitz in Hameln Deutschland Die Firma hat im Jahre 2008 einen weiteren Standort in Bochum auf dem ehemaligen 2008 geschlos senen Nokia Firmengel nde eingerichtet vgl Weblink 1 1 5 1 Vorgehensweise der Scanbull Scanner Die zu visualisierenden Gegenst nde werden auf einen Drehteller mit einem einfarbigen Hintergrund blau kann bei einigen Modellen auch durch andere Hintergrundfarbe ersetzt werden gestellt Um den Drehteller herum werden 2 diffuse ungerichtet Lichtquellen platziert die f r die Beleuchtung des zu scannenden Gegenstandes sorgen Eine kompatible Digitalkamera an der HS Fulda wird eine Nikon 5000 bei dem Scanner verwendet die eine Bildaufl sung von 2560x1920 erzeugen kann fotografiert den Gegenstand ab Der Drehteller die Beleuchtung und die Digitalkamera sind dabei mit dem Compu ter verbunden Die 3D Scanner Software kann die einzelnen Komponenten des Scanners steuern So kann die Software die Beleuchtung des Scanners ein und ausschalten Die Software ist in der Lage den Teller des Scanners nach einer beliebigen Anzahl von Zwischenschritten um 360 zu drehen Die angeschlossene Kamera befestigt auf einem kleinen Stativ macht dabei nach jeder Drehbewegung des Tellers ein digitales Foto und sendet dieses ber USB Verbindung zur 3D Scannsoftware Der Winkel f r die Zwischenschritte ist dabei abh ngig von der eing
33. er der Detektor und das Objekt beziehungsweise der Punkt auf den der Laserstrahl trifft bilden das sogenannte Triangulationsdreieck D L D Abbildung 45 Abbildung 35 Triangulationsdreieck aus Laser L Detektor D und Objekt O Abstand zum Objekt Z Quelle Lit_1 Lt Ef 1 http www david laserscanner com 27 Laserscanner Der Laser L projiziert einen Lichtpunkt auf das Objekt O Der Auftreffpunkt des Laserstrahls wird von dem Objekt reflektiert Der so abgeleitete Laserstrahl wird von dem Detektor D erfasst Der Abstand zwischen dem Laser und dem Detektor wird als Basisbreite B bezeichnet Ist dieser Wert bekannt so wie der Winkel a zwischen dem Laserstrahl und der Basis ben tigt man den Winkel B zwischen Detektor und Basis Das Bild 46 veranschaulicht die zuvor beschrei bene Theorie der Triangulationsmethode basis b Abbildung 46 Veranschaulichung derTriangulationsmethode Quelle Lit_2 Daraus ergibt sich zur Berechnung des Abstandes z des Objekts zur Basislinie folgenden Formel _bsin a sin sin y Auf Basis dieser Formel arbeiten alle g ngigen Methoden zur Dreidimensiona len Erfassung Mit zunehmendem Winkel zwischen Laser und Kamera steigt die Messgenauigkeit Gleichzeitig ist darauf zu achten dass bei einem gro en Win kel y bei nicht ebenen Objekten gr ere Objektbereiche nicht erfasst werden k nnen Hier ist ein Kompromiss zu finden Di
34. er Hintergrundfar be besteht Eine Variante wie man kleinere dieser Segementierungsfehler aus gleichen kann wurde bereits im Kapitel 1 7 9 beschrieben Ist das Objekt kom plett in den Farbt nen wie der Hintergrund blau so besteht nur die M glichkeit ein anderes Hintergrundlayout vom Hersteller zu erwerben und zu verwenden wenn man dieses Objekt unbedingt visualisieren will 19 3D Scanner Probleme hatte der Scanner auch beim Erzeugen eines Modells einer Alf Figur welche pl schig haariges Kunstfell hatte Den Alf aufrecht sitzend siehe Abbil dung 26 konnte der Scanner einigerma en erfassen Zur Verbesserung des Objektes f hrte ich einen 2 Scann durch indem ich den Alf seitlich auf den Scannteller platzierte siehe Abbildung 28 Dies f hrte zu dem schlechtesten Scann den ich mit dem Scanner erreicht hatte Die Abbildung 27 zeigt das Re sultat welches mit der Alf Figur nichts mehr zu tun hatte Sieht eher wie ein Kegs aus Aus diesem Scann ist zu erkennen dass der Scanner nicht nur ma kellose Scanns erzeugt Bei dem Modell Abbildung 27 stimmt weder die Form des Objektes noch die Textur Abbildung 26 Alf Abbildung 27 Erzeugtes 3D Objekt auf 3D Modell 2 Scann Alf recht gescannt liegend Abbildung 28 Alf liegend Foto der 3D Scanner Kamera Der Scanner zeigt zudem Schw chen bei stark gl nzenden Objekten siehe Ab bildung 31 29 Selbst wenn man die Lichtq
35. eser liegt in der Praxis bei einem Winkelgrad f r y von 25 bis 45 Der Zusammenhang zwischen Beobachtungs winkel und Messaufl sung ist f r alle auf dem Triangulationsprinzip beruhenden Verfahren typisch Sowohl der Laserscanner LPX 250 der Firma Roland als auch der David La serscanner arbeiten auf Basis der Triangulationsmethode wobei letzteres Sys tem eine Erweiterung der Methode Lichtschnitt verwendet Die als Lichtschnitt 28 Laserscanner verfahren bezeichnete Methode arbeitet hierbei nicht mit einem einzelnen Licht punkt sondern mit einer Lichtlinie die auf das zu erfassende Objekt projiziert wird siehe Bild 47 Der Detektor Kamera erfasst den Lichtschnitt und die Software errechnet alle Punkte die auf dieser Linie liegen Diese Methode bedeutet einen erheblichen Zeitvorteil f r die Digitalisierung eines Objektes Wie bei der einfachen Triangu lationsmethode muss auch bei dem Lichtschnittverfahren entweder das zu digi talisierende Objekt gedreht werden oder der Laser in Kombination mit dem De tektor um das zu erfassenden Objekt gefahren werden Durch die projizierte Li nie ist der Detektor Kamera in der Lage eine Hell Dunkel Grenze zu erfassen und kann so alle Objektkoordinaten berechnen die auf dieser sogenannten Lichtebene liegen Das nachfolgende Bild zeigt eine schematische Darstellung des Lichtschnittverfahrens Lichtschnitt Pa Lichtebene 4 Laser Kamera Abbildung 47 Beispiel
36. estellten Bilderzahl die f r die Objektaufnah me eingestellt wird 360 Bildanzahl Nach der 360 Grad Erfassung wird der Hintergrund des Objektes abgezogen Die Software ermittelt dann mit be stimmten Algorithmen anschlie end Anhand der einzelnen Aufnahmen ein 3D Modell Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Bearbeitungsschritte zum Erfassen eines Objektes erfolgt im Kapitel 1 7 EN 3D Scanner Nach Quelle Weblink 2 ist der Scanner 3D ScanBook von Scanbull der auch auf der Photokina 2008 vorgestellt wurde ein erstes 3D Scansystem f r unterwegs Diese Mobile Scannstation ist die kleinste Bauart der 3D Scan bull Reihe F r ca 2000 Euro soll es die Grundausstattung des Modells SD ScanBook geben Dieses umfasst das 3D Scanbook mit Drehteller Beleuch tungshalter Stativ und der Scansoftware vgl Weblink 2 Lit1 1 5 2 verschiedene Modelle der Firma Scanbull Die Firma Scanbull besitzt ein Sortiment mit 3 verschiedenen Grundtypen 3D ScanBook ScanTable ScanSpyder von 3D Foto Scannern die es in ver schiedenen Variationen gibt Den Scantable gibt es in 5 Versionen die eine R ckwandbreite von 60cm bis 180 cm gibt dabei eine Objektgr e bis zu 240cm bei einem Gewicht von bis ca 250 kg m glich ist Der neue ScanSpy der kann gar Objekte bis m scannen Weitere Informationen siehe Hersteller homepage http www scanbull de web hardware php Abbildung 1 Abbildung 2 3D ScanTable
37. formationen f r die Texturierung des Modells verwenden Dies wird im folgenden Abschnitt 1 7 6 Texturierung beschrieben vgl Lit1 vgl Weblink 4 vgl Weblink 5 1 7 6 Texturierung Die Texturierung ist der Prozess bei dem die Oberfl chen der u eren Dreie cke des Drahtgittermodells einer Oberfl chengestaltung unterworfen werden Diesbez glich wird auf die Oberfl che der Dreiecke Grafiken aufgebracht Hierbei bedient sich die Software an den bereits aufgenommenen Bildern der Objektaufnahme Kapitel 1 7 3 Die Software w hlt automatisch einige Bilder aus die f r die Texturgewinnung genutzt werden sollen Man kann auch ma nuell einige der aufgenommenen Fotos ausw hlen Die gewonnenen Bildinfor mationen mit den Farbwerten werden nun auf das Modell bertragen und da durch kann ein realit tsgetreues 3D Modell mit Originaltexturen entstehen 22 3D Scanner Abbildung 11 3D Modell des Schildkr tenpanzers mit Textur Die Abbildung 11 zeigt das Modell der Schildkr te nun mit seiner Texturierung also mit Oberfl chenfarbinformationen Eigentlich w re nun die Visualisierung des Schildkr tenpanzers abgeschlossen Jedoch gilt es zu bedenken dass bei diesem Scanversuches der Schildkr tenpanzer flach auf dem Boden des Scantellers stand siehe Abbildung 5 Dies bedeutet dass der Bodenbereich des Schildkr tenpanzers nicht von dem Scanner erfasst wurde Abbildung 12 3D Ansicht des Schildkr t
38. h mit den 3D Scannern der HS Fulda besch ftigt Dies ist zum einen der 3D Foto Scanner Scanbook von Scanbull und zum anderen der 3D Laserscanner von Roland des Weiteren wird der DAVID 3D Laserscanner betrachtet Diesbez glich wird f r die jeweiligen Scanner beschrieben welche Bearbeitungsschritte notwendig sind um einen einen Gegenstand zu scannen Dabei wird auf grundlegende Dinge eingegan gen Zahlreiche Objekte wurden mit den Scannern erfasst So wurden auch Pro blemf lle bei Scanns der jeweiligen Scanner dokumentiert Es werden Vor und Nachteile des jeweiligen Scanners aufgef hrt 1 1 Wozu ben tigt man 3D Scanner Im Allgemeinen ben tigt man einen 3D Scanner um bewegliche kleine Objekte der Realit t in Form eines 3D Objektes in digitaler Form zu visualisieren 1 2 Unterscheidung der grundlegenden Arten von 3D Scannern Man unterscheidet generell zwischen aktiven und passiven Scannverfahren Bei den aktiven Scannverfahren muss das zu scannende Objekt systematisch ab getastet werden Zu den aktiven Scannverfahren z hlt ein Laserscanner mehr dazu in Kapitel 2 Zu den passiven Scannverfahren geh rt der Fotoscanner mehr dazu folgt in den folgenden Uhnterkapiteln 1 3 Allgemeine Grundlagen 3D Fotoscanner Ein 3D Fotoscanner basiert auf der Technik der Photogrammetrie Die klassi sche Photogrammetrie geh rt zu den passives Scannverfahren 3D Scanner werden meist zur Erfassung transportabler konvexer K rper eingeset
39. hem sich das reale Objekt befinden muss Diese Eigenschaft muss folglich auch f r alle unterschiedlichen Per spektiven der Bilder des erfassten Objektes gelten und muss die Geometrie auch innerhalb des Schnittpunktes aller Volumina liegen Abbildung 7 Silhouttenschnittverfahren Rekonstruktion der konvexen H lle aus mehreren Kameraansichten Quelle Weblink 5 Mit Hilfe der Volumenbeschreibungen aller Volumina l sst sich sehr effizient der Schnitt erzielen Das zu erstellende 3D Volumen wird diesbez glich in klei ne W rfel zerlegt den so genannten Voxel Diese W rfel werden in alle An Q 3D Scanner sichten projiziert Liegt einer dieser Vokel bei mindestens einem aufgenomme nen Bild au erhalb der Silhouette des Objektes so wird dieser Vokel entfernt Nach der Quelle Weblink 5 l sst sich mit dem Silhouettenverfahren nicht ex akt die Geometrie bestimmen sondern nur die konvexe H lle des Objektes re konstruieren Dies hat die Folge dass kleine Dellen in der Oberfl che die in der Silhouette nicht sichtbar sind auch nicht modelliert werden k nnen So hat das Verfahren und dadurch auch die Scanbull Software eine prinzipi elle Schw che beim Erfassen von konkaven Teilen So werden das Innere ei ner Tasse zum Beispiel nicht ausgeh llt siehe Kapitel 1 7 10 1 Problemf lle und dort Abbildung 24 und Abbildung 25 Anhand der Objektbilder nach der Segmentierung errechnet die Software nun das 3D M
40. hnen zu k nnen Bei Objekten mit einer Art Fell oder Stoffstruktur verh lt es sich so dass der Laserstrahl stark gestreut wird und somit nicht gen gend Licht reflektiert wel ches vom Detektor erfasst werden kann Gl nzende Objekte wie Spiegel oder poliertes Metall reflektieren den Laser in eine Richtung die nicht mehr vom Detektor korrekt erfasst werden kann Umgekehrt verh lt es sich bei dunklen Objekten schwarz dunkelblau oder gr n Diese Oberfl chen verschlucken das Laserlicht wodurch nicht gen gend Reflexion statt findet 30 Laserscanner Weitere Probleme bei der Erfassung entstehen wenn der Einfallswinkel des La sers kleiner als 20 ist denn dann wird der Laserstrahl in eine falsche Richtung reflektiert Ebenso kann der Laser keine Fl chen digitalisieren die verdeckt bzw nicht erfassbar sind Die folgenden zwei Bilder veranschaulichen dieses Problem Eu Ey 20 degrees or less gt Abbildung 50 Einfallswinkel kleiner als 20 Ouelle Lit_4 Abbildung 49 Nicht erfassbare Fl chen Sockeloberseite verdeckte Fl che Sch deldeck Einfallswinkel kleiner als 20 2 2 1 Art des Scannverfahren Bei dem LPX 250 kann man zwischen zwei verschiedenen Arten der Laserab tastung w hlen dem sogenannten Rotationscann oder dem Planescann Bei de Verfahren lassen sich f r jegliche Art von Objekten anwenden Nat rlich haben beiden Varianten ihre Vor und Nachteil
41. ichkeiten mit der Software durchf hrbar sein siehe 1 8 1 7 Animationskontrollfeld o 100 a m a Mi10x871 4 Abbildung 40 ein Merlin Absturz 2 3D Scanner 1 8 1 M glichkeiten der Nachbearbeitungssoftware Als M glichkeiten der Objektnachbearbeitung bietet Merlin an u a die Textu ren des Objektes zu exportieren Die Objekttexturen werden dann in Form ei ner BMP Datei abgelegt Abbildung 41 Diese Datei kann dann anschlie end mit einem externen Grafikprogramm z B Adobe Photoshop oder Gimp bear beitet werden So kann im externen Grafikprogramm z B zu hell gl nzende Fl chen nachbearbeitet werden indem Teilbereiche der Textur kopiert werden ber die hellen Fl chen eingef gt werden und anschlie end mit der Wischfin gerfunktion z B in Photoshop oder Gimp verwischt werden Des Weiteren k nnen auch Farb nderungen durchgef hrt werden Abbildung 41 Exportierte original Abbildung 42 Bearbeitete Textur Textur der Mandarine der Mandarine Die bearbeitete Texturdatei Abbildung 42 l sst sich anschlie end wieder ber die Merlinsoftware laden Nun kann das 3D Objekt wieder als spx sds oder einer sonstigen unterst tzten Format abgespeichert werden Da durch kann man ber das Ab ndern der Textdatei die Textur des Objektes ver ndern Aufgrund dessen k nnen nat rlich Verbesserungen als auch Ver schlechterungen durch Verwisch
42. ikeln in einem und Produktionsbereiche Webshop Integration in Ermitteln geometrischen Filmszenen Erzeugen Daten von 360 Ansichten eines Objekts Schwerpunkt auf Objekten mit realer Textur 3 2 Ergebnisse im Direkten Vergleich Optischer Scanner 3D ScanBook Laserscanner LPX 250 _55 _ Gemeinsamer Teil 3 3 Vorstellen der Lightwave Szene In der von uns erstellten Lightwave Szene die auf dem Tutorial Ein altes Haus basiert wurde ein Raum erzeugt In diesem Raum wurden drei selbst er stellte Tische platziert auf denen die digitalisierten und bearbeiteten Objekte positioniert wurden An den W nden wurden selbst erstellte Bilder aufgeh ngt die Fotos einiger Objekte zeigen Au erhalb des Raumes wurde eine Wand mit Strandhintergrundtextur platziert Die auf den Tischen platzierten Namensschil der sind ebenfalls selbst erstellt worden Eine Kamerafahrt durch den Raum zeigt alle Objekte in einer n heren Betrach tung Die von uns verwendeten Texturen sind selbst erzeugt in dem wir mit einer Di gitalkamera N95 reale Objekte abfotografiert haben Diese wurden dann in der erstellten Szene verwendet Bei dem Engel 3D Objekt der hinter dem David Laser Scanner Schild steht handelt es sich um eine Demo Datei die ber die Download Seite der David Webseite zur Verf gung steht 3 4 Gemeinsames Fazit
43. inie erzeugt ausreichen Im Kombination der zu Verf gung gestellten Software sollten gute 3 D Modelle zu erstellt sein Aus dieser Idee heraus entstand auch der Name David wie der Webseite zu entnehmen ist Es ist einfach nur der Name f r eine kleine aber m chtige Software zwi schen all den Goliaths Neben der kosteng nstigen Software die David Laserscann Software ist Free ware war wie bereits erw hnt das Ziel die Hardware so g nstig wie m glich zu halten was dem Entwicklerteam auch gelungen ist Als Kamera reicht schon eine g nstige Webcam und als Lichtquelle eignet sich alles was eine sehr d n ne und kr ftige Lichtebene erzeugt Zu Letzt ben tigt man noch einen Kalibrier k rper der zur Kalibrierung der Kamera dient und bei einem Scannvorgang als Hintergrund Das Muster des Kalibrierk rpers liegt der Installationssoftware bei die man ber die Webseite beziehen kann Dieses Muster besteht aus einem linken und einem rechten Teil Nach dem ausdrucken des Kalibrierk rper den es in den Gr en DIN A4 bis DIN A1 gibt befestigt man diesen auf eine entpre chend gro e ebene Fl che Diese beiden Fl chen m ssen exakt im 90 Winkel zueinander positioniert sein Sind diese Vorbereitungen getroffen kann mit dem abtasten des Objektes begonnen werden In den folgenden Kapiteln wird die Ar beitsweise die Kalibrierung sowie die Handhabung der Software aufgezeigt 2 3 1 Arbeitsweise des David Laserscanner Der Scanner
44. lle Aus richtung Nach der Grobregistrierung ist das Ergebnis im 3D Fenster sofort dar gestellt 48 Laserscanner ShapeFusion 3D Window press F1 for help ag Abbildung 73 Ergebnis der Grob Registrierung Quelle David Wiki Je besser die einzelnen Scann zusammenpassen desto mehr Oberfl chen durchdringungen gibt es wie man dem folgenden Bild 74 entnehmen kann l ShapeFusion 3D Window press ma Abbildung 74 Bsp einer Oberfl chendurchdringung Nach erfolgreichen Fusionsschritten kann man zwei oder mehr Scanns zu Ei nem gruppieren Man selektieren diese Scanns in der Scann Liste und klickt dann auf Kombinieren Dadurch l sst sich dieser als einen einzelnen Scann behandeln Gruppierungen k nnen ber das rechte Maustastenmen auf den Namen in der Scann Liste aufgehoben werden Im n chsten Schritt werden ber den Button Verschmelzen alle Einzelteile miteinander fusioniert Das Ergebnis der Fusion h ngt von den Parameter Auf l sung Gl ttung und Beseitigung ab Laut der David Wikiseite soll man mit einer geringen Aufl sung 100 beginnen bei geringer Aufl sung ist der Fusi onsprozess wesentlich robuster gegen ber ungenauen Ausrichtungen Rau schen und Ausrei ern Eine h here Aufl sung erzeugt mehr Dreiecke f r das 49 Laserscanner Objekt falls das Ergebnis fehlende Fl che
45. ltate sollten nun deutlich besser aussehen und keine ungewollten L cher in dem Scannobjekt auftauchen Abbildung 22 Pinguin mit Abbildung 23 Pinguin Segmentierungsfehler ohne Segmentierungsfehler F hrt man die oben beschriebenen Schritte der Segmentierungskorrektur der einzelnen Dateien durch so wird das Resultat deutlich besser wie man aus einem Vergleich der Abbildungen 22 und Abbildungen 23 auf dem ersten Blick erkennen kann 18 3D Scanner 1 7 9 1 Exportm glichkeit f r Lightwave Die Exportm glichkeit f r Lightwave ist dadurch gegeben indem man das erstell te Modell einfach in das Format 3ds abspeichert 1 7 10 Weitere Scanbeispiele Unter diesem Unterpunkt folgen weitere Scanobjekte die ich im Rahmen die ser Ausarbeitung gescannt habe Es folgen zun chst unter Abschnitt 1 7 10 1 Problemf lle 1 7 10 1 Problemf lle Unter diesem Abschnitt werden einige Problemf lle gezeigt die der Scanbull Scanner besitzt Wie bereits im Abschnitt 1 7 5 Formerstellung beschrieben dass der Scanner Probleme mit konkaven Teilen besitzt Somit ist das Innere einer Tasse wie in Ab bildung 24 und Abbildung 25 ersichtlich nicht ausgef llt Abbildung 24 Studententasse mit Textur Abbildung 25 Studententasse ohne Textur Weitere Probleme besitzt das Scannsystem wenn das zu scannende Objekt Farbanteile des Hintergrunds besitzt oder gar komplett aus d
46. n des LPX 250 Scanners Durchmesser Drehteller 254mm 10inc Max Scannbereich Rotary scanning Diameter 254 mm 10 n height 406 4 mm 16 n Plane scanning Width 230 mm 9 n height 406 4 mm 16 n Scannschritte Rotary scanning circumference 0 2 to 60 degrees height direction 0 2 to 406 4 mm Plane scanning width direction 0 2 to 230 mm height direction 0 2 to 406 4 mm Max Objektgewicht 5kg Laser Wavelength 600 to 700nm maximun output less than 1 0 mW maximum output discharged outside housing s 0 39 us pulse width 350us pulse frequency 2 857 Hz Sensor Ber hrungslos Scannmethode Punkt Triangulation Motorenleistung Table rotation speed 15 rpm head rotation speed 7 5 rpm head movement speed 50 mm sec 2 PDF liegt der CD Laserscanner Literatur bei ist aber auch ber die CAE Laborseiten der HS Fulda abrufbar 36 Laserscanner 2 3 Allgemeine Informationen zum David Laserscanner Bei dem David Laserscanner handelt es sich nicht um ein Scannsystem im herk mmlichen Sinne die eine abgestimmte Kombination aus Hard und Soft ware darstellt Das Ziel welches mit dem David Laserscanner verfolgt wird ist es eine kosteng nstigere und dennoch effiziente L sung zu bieten um so eine Alternative zu den teureren auf dem Markt verf gbaren Systemen zu haben Als Komponenten des Scannkopfes sollte eine g nstige Kamera z B Webcam und ein Laser der eine Lichtl
47. n hat Diesen kann man mit einem h heren Wert des Parameters Glattheit entgegenwirken Mit dem Button Speichern ffnet sich ein neues Dialogfenster indem man zwischen den Dateiformaten OBJ PLY und STL w hlen kann Ebenso ist eine Unterscheidung zwischen Fusionsergebnis oder den ausgerichteten und bearbeiteten 3D Scanns m glich Gescannte Objekte in der Freeware Version m ssen in anderen Softwareanwendungen Lightwave Blender bearbeitet wer den Da die einzelnen Scanns nicht fusioniert werden k nnen m ssen diese auch einzeln bearbeitet werden 2 4 Fazit ber DAVID Laserscanner Meine pers nliche Beurteilung der vorgenannten Systeme ist Der David La serscanner liefert in Preis Leistungsverh ltnis zum Roland 3DScanner ein opti males Ergebnis Trotz geringem Kostenaufwand liefert das DAVID System eine exzellente und effiziente Qualit t die den anderen Systemen in nichts nach steht 2 5 Technische Daten und Informationen zur Pro Version Folgende Tabelle zeigt eine Gegen berstellung der David Versionen und des sen Leistungsmerkmalen Free Edition Professional Edition Professional USB Edition High Res Scanning trail Yes Yes Low Res Saving to OBJ Yes Yes Yes High Res Saving to OBJ No Yes Yes Shapefusion Trail Yes Yes Full Texture Support Yes Yes Yes Shapefusion Saving to OBJ STL No Yes Yes PLY Use restricted to one PC a er al Restricted to U
48. ngehend das der Drehteller keine 360 Umdrehung vollf hrt sondern nur um einen gewissen Winkelgrad gedreht wird Ein Planescann l sst sich in ein bis sechs Ebenen unterteilen um ein Objekt zu erfassen Dabei wird nach jedem Dreh des Tellers die Scanneinheit um eine H heneinheit verschoben Nach dem die erste Ebene erfasst wurde wird die gleiche Prozedur f r eventuell weitere Ebenen durchgef hrt a2 Laserscanner Wie bereits erw hnt haben beide Scannarten ihre Vor und Nachteile Der Vorteil eines Planescanns besteht darin das Objekte mit L chern Hohlr u men Vertiefungen und hnlichem leichter digitalisiert werden k nnen Der Nachteil eines Ebenenscanns ist das diese Art der Digitalisierung einen gr Beren Zeitaufwand fordert Nach dem der Scannvorgang beendet ist liefert die Software das Resultat W hrend der Abtastung des Objektes sieht man dem Fortschritt es Scannvor ganges Bild 52 zeigt das Ergebnis der Digitalisierung eines Steines mit einem Loch Abbildung 52 360 Scann eines Steines Wie in Abbildung 52 ersichtlich trat bei der Abtastung des Steines durch den Scanner ein Fehler auf indem an einer Stelle die Fl che nicht exakt erkannt wurde Um diesen Fehler zu beheben besteht die M glichkeit einen weiteren Rotate oder Planescann auf das Objekt anzuwenden Wie aus dem Bild 53 zu entnehmen ist klickt man auf den Neuscann Button und w hlt das geeig nete Scannverfahren aus
49. ngehenden Daten aus den Bildinformationen zu verarbeiten sind nur Objekte kleiner als 406 4 mm H he und 254 mm Breite erfassbar Die Erfassung des Detailgrades ist abh ngig von der gew hlten Aufl sung also der Abstand zwischen den Scannebenen und der Umfangsunterteilung Kleine Objekte deren Detailgrad Kanten br che sehr hoch ist lassen sich schlecht erfassen da die minimalste Drehteller Drehung von 0 2 ein zu gro er Sprung ist f r Objekte kleiner 20 mm Texturefassung der Objekte Auf Grund der photographischen Erfassung des Objektes ist es nicht nur m glich die Form des Objektes an Hand des Objektumrisses zu er fassen sondern auch gleichzeitig Texturinformationen von dem Objekt zu abstrahieren Dabei k nnen Texturen automatisch auf das Modell richtig positioniert werden Eine Texturerfassung ist mit dem Laserscanner nicht m glich Vereinigung Scannvorg nge Objekts mehrere eines Beim Fotoscanner k nnen genau 2 Scanns eines Objektes zusammengef gt werden um den Detailgrad wegen Verdeckten Fl chen zu erh hen Das Eine Vereinigung von beliebig vielen Scanns kann durchgef hrt werden wobei es jedoch keine automatisierte Zusammenf gemechanis men existieren 3 Gemeinsamer Teil Vereinigen der Scanns kann in der Regel automatisiert durchgef hrt werden Jedoch k nnen nicht mehr als 2 Scanns kombiniert werden Vereinigungsproze
50. nners 02202202200220snnennennnnnnnnsnennsnennnne nenne nennen 36 2 3 Allgemeine Informationen zum David Laserscanner u0220224002002ennnnnnennnnne nenn nennen 37 2 3 1 Arbeitsweise des David Laserscanner 02 0220220200200200nn0 nun ano nnnnnennenne nennen nennen 37 2 3 2 Kalibrierung der Kamera u s2 r ande 38 2 3 3 Objektdigitalisierung mit dem David Laserscanner 022022002202200snennenneensne nee 40 2 34 Nae FUSION ranea r TA 44 2 4 Fazit ber DAVID Laserscanner an e a Aa EEN NaiN 50 2 5 Technische Daten und Informationen zur Pro VersSion ssssnsensnnensrenrsrrnrerrnrerrrrerrrrerrnrne 50 2 6Verwendete Hard und Software f r diese Ausarbeitung 02220020020002n0 nenn nenn nenn 51 2 P ENETALUPVELZEICHN IS ae nee elle 51 3 Gemeinsamer Tell asn ss sense 52 3 1 Optischer Scanner vs Laserst nner unnssnen aaa usa 52 3 2 Ergebnisse im Direkten Vergleich 2z02202202200000000 0000 nn nnn Ban nnn ann anne nnnnnnnnnnn anne ann 55 3 3 Vorstellen der Lightwave Szene 02200200020000n0nnnonnnnnnn neue nano nnnennnnnnenenennnennnnennnnne nennen 56 3 4 Gemeinsames Fazit ber 3D Scanner uunausensusennnnannnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnn nennen nenn 56 3D Scanner 1 3D Scanner Im Rahmen der Lehrveranstaltung Computer Graphics wurde zum Thema 3D Scanner dieses Projekt ausgearbeitet welches sic
51. odell Diesbez glich betrachtet die Software die Umrisse des Objek tes die Silhouetten Von einem Volumenquader der die Ma e des Objektes hat wird alles entfernt was nicht zum Objekt geh rt und nur die erkannten Sil houetten der segmentierten Bilder aus verschiedenen Blickwinkeln brig ge lassen Diesen ersten Vorgang bezeichnet man als Silouettenschnitt und ist mit der Arbeit eines Bildhauers vergleichbar Am Ende der Silhouettenschnitts ent steht ein Volumenmodell des Objektes im Dreidimensionalen Raum siehe Ab bildung 8 Dieser wird als Voxelraum bezeichnet Einen Punkt aus diesem 3D Raum nennt man wiederum Voxel volume element her Scanbull ScanBook 3 36 Professional L studium MASTER 1sem GRAFIKPROG 3d scanner 3d optic scanner scannen 081201ts schildkr tenpanzer schildkr te Datei Extras Hilfe Scan1 Scan2 Mischen m fe Kalibrierung A E EJ Objektaufnahme a B N A Abbildung 8 Rekonstruiertes 3D Volumen des Schildkr tenpanzers 10 3D Scanner FB I fr siert Semasa Tine 7 Tara O O O Minen a 1 Mn Ti ini an TTTTTTTTTTU UU m A m Abbildung 9 Approximiertes Drahtgittermodell des Schildkr tenpanzers aus Dreiecken Anhand des erhaltenen Volumenmodell wird nun durch Approximation ver sucht dieses mit Hilfe von sehr kleinen Dreiecken nachzubilden Im Anschluss daran werden diese kleineren Dreieck zu gr eren Dreiecken kombiniert um so das Datena
52. odus Freie Drehung Freie Drehung Rotation nur Um die Achse E berufleen Rotation HILF Um die Achse L Rotation nur um die zAchze Manuele Ausrichtung 1 Klicken Sie auf Scan ANu Feinregistrierung ausgerichtet Globale Feinregistnerung 2 Klicken Sie auf Scan B 3 Grob Registrierung l uft bitte ein paar Sekunden waren 4 Fein Registrierung l uft bitte ein paar Sekunden waren Undo 8 Schlie en Abbildung 69 Dialogfenster der Registriegunsmodis 47 Laserscanner F r das Tutorial des Wikis wurde eine Beethoven B ste digitalisiert und jeweils in den Positionen 90 180 und 270 erfasst ShapeFusion 3D Window press F1 for help Ex Abbildung 70 Behthoven B ste Quelle Wikiseite des David Laserscanner Der Dialog Rotation um Y Achse m chte das man den ersten Scann A Bild 71 w hlt und dann den zweiten Scann B Bild 72 Nach dem die Auswahl ge troffen wurde richtet die Software den Scann A an B aus Abbildung 72 Scann B Abbildung 71 Scann A Im n chsten Schritt findet eine grobe Registrierung der beiden Scanns statt Sollte die Registrierung keine gute Ausrichtung gefunden haben so f hrt man nach einem Undo die Grobregistrierung erneut aus Da die Methode zufallsba siert arbeitet ist es sehr wahrscheinlich dass das Ergebnis nach einem zweiten oder dritten Versuch besser ist Alternativ verwendet den Modus Manue
53. okus ideal auf den Drehteller mit dem _5_ 3D Scanner Objekt ausgerichtet ist Hierf r ist bei der Kamera zu berpr fen ob das Nah aufnahmemakro Blumensymbol eingestellt ist Dies kann nur berpr ft wer den indem das Kabel des USB Anschluss der Kamera entfernt wird Bei die ser Gelegenheit kann auch die Sch rfe des Aufnahmeobjektes durch leichtes Dr cken des Kameraausl sers durch Autofokus Funktion eingestellt werden USB Kabel anschlie end wieder anschlie en 1 7 2 Kalibrierung Nach der berpr fung der Hardwarefunktionalit tt muss die Kalibrierung durchgef hrt werden Die Kalibrierung hat den Zweck dass dadurch die Para meter der Kamera richtig eingestellt werden k nnen Hierunter fallen die Be stimmung der Brennweite die Radialverzerrung und auch die relative Position und die Orientierung der Kamera zur Drehachse zum Drehteller hin Um diese Kalibrierung durchf hren zu k nnen geh ren zur Ausr stung des Scanners verschiedene Kalibrierungsmuster siehe Bild 3 in verschiedenen Gr en Je nachdem wie gro der zu scannende Gegenstand ist sollte das passende Kalibrierungsmuster verwendet werden In der Software muss das Muster auch ausgew hlt werden Dieses Muster muss nun in die Mitte des Tellers ge stellt werden siehe Bild 4 Die Kamera nimmt einige Bilder des Musters aus verschiedenen Positionen auf Der Teller dreht sich nach jedem Foto um eini ge Grad Mindestens 4 Bilder muss das Programm or
54. r auf welchem das Objekt steht Je nach Bilderzahl wird immer in bestimmten Grad Abschnitten gedreht 360 Bilderan zahl Wurde die Objektaufnahme gestartet so erzeugt die Kamera ein Foto anschlie end wird der Teller gedreht die Kamera macht wieder ein Foto usw Dies geschieht solange bis die definierte Anzahl von Bildern aufgenommen wurden und das Objekt um 360 abfotografiert wurde Die einzelnen Aufge nommenen Bilder werden direkt zum Programm bertragen und dort f r den Weiterbearbeitungsprozess abgelegt 3D Scanner Die Abbildung 5 zeigt den Schildkr tenpanzer in der Mitte des Tellers der mit 20 Bilder von 360 Grad fotografiert wurde Im unteren Bereich des Bildschir mes sind die einzelnen aufgenommen Bilder zu sehen die f r die folgenden Verarbeitungsabschnitte weiterverwendet werden 1 7 4 Segmentierung Bei den momentanen Aufnahmen des Objektes besteht das Problem das dar auf die Software nicht automatisch erkennen kann was zum Scannobjekt ge h rt und was nicht Aus diesem Grund muss die Segmentierung durchgef hrt werden Bei der Segmentierung wird der Hintergrund von den relevanten Ob jektdaten abgezogen Um diesen Trennvorgang durchzuf hren m ssen die einzelnen Farbwerte des Hintergrundes manuell ausgew hlt werden In die sem Fall alle Blauwerte um den zu scannenden Schildkr tenpanzer herum SAREM Br PENNA Abbildung 6 Trennen des Hintergrundes vom Objekt Die Abbildung
55. rei Registrierungsmodis geht die Software davon aus dass die relative Transformation zwischen den zwei Scanns be schr nkt ist Der Modus Rotation nur um die Y Achse z B nimmt an dass das Objekt zwischen den zwei Scanns nur um eine Achse ge dreht wurde In diesem Fall parallel zur Y Achse des Referenz Koordi natensystems gedreht wurde und nicht transliert wurde e Manuelle Ausrichtung Hierbei kann man die einzelnen Scanns frei im Raum bewegen Dies geschieht durch gedr ckt halten der Strg Taste w hrend man einen Scann mit der linken oder rechten Maustaste verschiebt oder dreht Danach weist man Objektpunkte des ersten Scanns dem zweiten zu je mehr desto besser Anhand derer die Software beide Scanns ver bindet 46 Laserscanner am Shapefusion 3D Window press F1 for help Joes Abbildung 68 Manuelle Ausrichtung Quelle David Wiki e Nur Feinregistrierung Die zwei Scanns werden jeweils an ihren aneinander grenzenden Kanten verbunden e Globale Feinregistrierung Dieser Registrierungsmodus richtet alle Scanns in der Liste an dessen jeweiligen Nachbarn aus Die folgenden Zeilen beschreiben den Modus Rotation um Y Achse Anhand ei nes Beispieles von dem David Wiki Da in der Freeware Version eine Speiche rung von fusionierten Scanns nicht m glich ist Ausrichtung von Scans Dieses Dialogfenster wird Ste durch den Prozess der Scan Ausrichtung leiten Registnerungsm
56. ss dauert sehr lange mehrere Stunden Datenvolumen beim dem Erfassungsprozess Hierbei werden alle Fotos der Objekterfassung sowie alle weiteren zu Verarbeitenden Schritte als Bilddatei abgelegt Dementsprechend wird bei einer hohen Kameraaufl sung und hoher Bildanzahl f r einen Scann ein sehr hohes Datenvolumen erzeugt einige 100 MB Vorteil jedoch ist das alle Bilddateien auch durch externe Bildver arbeitungstools editiert werden k nnen und somit das Modell beeinflussen Export in andere Formate wie z B 3DS oder SPX minimiert das Datenvolumen auf einige wenige MB mit Texturen Hierbei wird nur eine Datei erzeugt die die Objektinformation Objektpunktinformation und die daraus resultierende Objektform speichert Die Datei Gr e betr gt nur einige MB Zu beachten ist das in dieser Datei keine Texturinformationen enthalten sind Export M glichkeiten in an der Formate SPX Modell SPX 3D Studio 3ds HTML htmi AutoCAD dxf Stereo Litho Rapid Prototyping stl IGES igs Web Publish INUS Compression Format icf VRML 1 0 97 wrl StereoLitho stl Lightwaveformat Iwo oder Iws Einsatzgebieter der Systeme Pr sentationszwecke z B auch Einsatz auf Webseiten Artikelbeschreibung e bay 3D Darstellung von Integration in CAD System z B in der Autoindustrie oder Medizin Konstruktions 54 Gemeinsamer Teil Verkaufsart
57. t man bei der Segmentierung den Hintergrund ab so kommt es vor dass dieser Farbbereich auch im Objekt ausgew hlt wird und dementsprechend Probleme beim Erzeugen des Modelles auftreten Dies kann unterbunden werden wenn die keyXXXX bmp Dateien mit einem ex ternen Bildbearbeitungsprogramm ge ffnet werden Dort auf den Bildern ist der Hintergrund in schwarzer Fl che markiert Die relevanten Objektdaten sind alle in einer wei Fl che die das Objekt im Umriss begrenzt enthalten Sind dort schwarze Pixel bzw Fl chen in dem Objekt wei enthalten die dort nicht hingeh ren so handelt es sich um die irrt mlicherweise mit ausgew hl ten Farbt ne der Segmentierung die das Programm als Hintergrund empfun den hatte Hierzu siehe Abbildungen 20 Diese sind auf allen keyXXXX bmp zu entfernen und durch wei zu berdecken Es k nnen auch sonstige Fehler die bei der Segmentierung aufgetreten sind durch diese Variante korrigiert werden Die Abbildung 21 zeigt den korrigierten Segmentierungsfehler indem der Objektumriss und Fl che nachbearbeitet wurde Hat man dies durchge f hrt dann sollte man das Scannprojekt erneut ffnen und die Bearbeitungs Sl 3D Scanner schritte 1 7 5 Formerstellung und 1 7 6 Texturierung erneut vom ScanBull Programm durchf hren lassen Abbildung 20 Abbildung 21 Segmentierungsbild Segmentierungsbild Pinguin mit Fehler Pinguin ohne Fehler Die erneuten Scann Resu
58. uellen ein wenig vom Scannobjekt weg bewegt f hrt dies zu St rungen im Bild Das Ausschalten der Lichtquellen f hrt dazu dass es f r die Aufnahme des Objekte wiederum zu dunkel ist Abbildung 29 3D Abbildung 30 Foto des Abbildung 31 3D Objekt Mandarine mit Elefanten mit Objekt Elefant mit gl nzenden Fl chen Kalibrierungsmuster Reflexionen 20 3D Scanner Ein weiteres Problem sind d nne feine vom Objekt abstehende Linien die das Scannsystem nicht ins Modell modellierte So wurden die F hler der Maus sie he Foto 32 nicht in das 3D Modell der Maus Abbildung 33 bertragen gt s r 4 Abbildung 32 Foto Abbildung 33 3D Objekt der Maus Maus Des Weiteren ist darauf hinzuweisen dass Objekte aus Glas siehe Foto 35 also in der Realit t transparent sind als SD Objekt keine Transparenz besitzen sondern die Fl che erfasst wird und mit einer farbigen Textur die nicht transpa rent ist berzogen wird Da normales Glas durchsichtig ist schimmert nat rlich der Hintergrund durch d h die Fotos der Objektaufnahme nehmen Farbanteile des durchschimmerten Hintergrundes mit auf Dies kann auch wieder zu Seg mentierungsfehlern f hren Die bereits unter Kapitel 1 7 9 beschriebene Vorge hensweise kann dem entgegenwirken jedoch ist der Hintergrund immer noch im 3D Objekt enthalten Eine M glichkeit ist die Objektaufnahme Bilder per Hand zu
59. ufkommen zu reduzieren Am Ende dieses Vorganges erh lt man die Nachbildung dieses Objektes aus einer Menge von Dreiecken als Drahtgittermodell Anhand der Dreiecke k nnen nun die u eren Dreieckso berfl chen als Fl che dargestellt werden Die Abbildung 10 zeigt den Schild kr tenpanzer als Fl chenmodell Die Software zeichnet das Objekt standard m ig mit Grauenfl chen Flatshading Diese Fl chen k nnen dann anschlie Bend mit Texturen versehen werden dies geschieht im folgendem Kapitel 1 7 6 Die Anzahl der Dreiecke aus denen sich ein Objekt zusammensetzt ist bei der Scanbullsoftware softwarelizenzm ig beschr nkt So ist die maximale Anzahl die die lizenzierte Software der HS Fulda anwenden kann auf 3000 Dreiecke f r die Triangulation beschr nkt Aus technischer Sicht auch bei die sem Scanner ist es nat rlich m glich ein Objekt aus noch mehreren Dreie cken zu erzeugen ber 12000 Rein softwarebedingt ist diese auf 3000 be schr nkt Es ist empfehlenswert jedes Objekt mit 3000 Dreiecken erfassen zu lassen all 3D Scanner Abbildung 10 3D Objekt Schildkr te als Fl chenmodell Die Form des Objektes wurde nun als Modell rekonstruiert Schon jetzt kann das Objekt von allen Seiten betrachtet werden Da die aufgenommen Bilder nicht nur f r die Formerstellung verwendet werden k nnen sondern diese auch die Oberfl che des Objektes mit Texturen enthalten kann die Software diese Bildin
60. un der Bereich erfasst der beim 1 Scanvor gang nicht von der Kamera erfasst werden konnte 1 7 8 Mischen Wie bereits geschrieben kann es Hilfreich sein ein Objekt 2 mal um verschie dene Achsen zu scannen so dass alle Bereiche des zu scannenden Objektes erfasst werden k nnen Bei diesem Vorgang wird ein Mergeing Mischen von beiden Scannversuchen durchgef hrt Dieses Mischen ist empfehlenswert wenn eine Rundum Ansicht des Objektes erzeugt werden also auch der Bo den des Objektes erfasst werden soll In diesem Fall wurde dadurch auch das Unterteil des Schildkr tenpanzers erfasst Dieser Mischvorgang kann die Scanbull Software automatisch erledigen Jedoch kann das Berechnen des Mischmodelles je nach Rechnerleistung sogar einige Stunden ben tigen in diesem Fall dauerte es 1 Stunde auf dem CAE Labor Rechner Die Softwa re ermittelt dabei die optimalen Positionen der einzelnen Voxelpunkte und f hrt auch die kombinierte Texturierung aus beiden Scanns durch E Abbildung 16 Mischvorgang aus 2 Scans Wie aus Abbildung 16 zu erkennen wird in hier eine Kombination der beiden Volumina der beiden Scannvorg nge durchgef hrt In diesem Falle hat die Software das Berechnen des neuen Modells automatisch durchgef hrt Es be 15 3D Scanner steht auch die M glichkeit dies manuell durchzuf hren falls die Software dies nicht automatisch bewerkstelligen kann Sollte eine manuelle Kombination durchgef hrt
61. ven Formen Konvexe Formen werden in der Regel gut erfasst konkave Formen werden fehlerhaft identifiziert wobei Durchbr che im Objekt erkannt werden Sowohl Konkave als auch Konvexe Formen werden gut erkannt selbiges gilt f r die Identifizierung von Durchbr chen Oberfl chenbeschaffen heit der Objekte Stark reflektierende Objekte mindern die Fotos der Objekterfassung und daraus ergibt sich eine Verf lschung des Objektes helle Flecken Objekte mit identischen Farbanteilen zum Hintergrund sind nur Ebenso wie bei dem optischen Verfahren lassen sich Objekte mit stark reflektierender Oberfl che schlecht bis gar nicht erfassen da der Laserstrahl sehr stark gebrochen und oder gestreut wird da durch wird die Objektform 50 Gemeinsamer Teil bedingt zu erfassen Bei Glasgegenst nden kommt der Hintergrund zum Vorschein jedoch wird die Form des fehlerhaft interpretiert Dunkle Objekte schwarz werden ebenfalls schlecht erfasst da nicht gen gend Licht zum Objektes erfolgreich Detektor reflektiert wird erfasst Gr enverh ltnis und Durch seine Konstruktion Durch seine Konstruktion Detailtreue sind nur Objekte kleiner als 250 mm H he und 200 mm Breite erfassbar Die detailgetreue Erfassung ist abh ngig vom Objektiv der Kamera und dessen Fokussierung auch sch rfe als auch der Kameraaufl sung selbst Des Weiteren muss die Software in der Lage sein die ei
62. zraets l Erislelur ysr r Ewah We le gt Abbildung 60 David Scann Dialog Nach der Platzierung des Objektes richtet man den Laser in die Szene um eine letzte Einstellung vorzunehmen ber den Button Kameraeinstellungen neben der Option Kamerabild anzeigen erreicht man das Konfigurationsme n der Kamera In dem Reiter Ger te Einstellung sollte man die Werte Blen de Belichtungszeit Helligkeit Kontrast etc dahingehend ver ndern das die Laserlinie klar im Kamerabild zu sehen ist w hrend das brige Bild so dunkel wie m glich seien sollte optimal w re ein schwarzes Bild Ebenso sollten alle Automatik Funktionen der Kamera zur Bildverbesserung wie automatische Belichtungszeit Wei balance deaktiviert werden 40 Laserscanner Zum Sesiclisunicgung Gerste Eretohnngen E weitet Helge AE ir Woe Ezbzlza2h Gcgenichtlsmpena Abbildung 61 Kalibrierungsmen Wichtig zur Voreinstellung ist die richtige Farbwahl des Laser Zur Auswahl stehen neben den Optionen Gr ner oder Roter Laser eine weitere Option D nne Schatten Linie Mit dieser Option ist es m glich eine helle Lichtquelle auf das Objekt zu richten welche den Laser ersetzt Vor der Lichtquelle be wegt man eine d nne Schnur so dass diese eine Schattenlinie auf das Objekt projiziert Es ist dabei zu beachten das die Schnur nicht von der Kamera er fasst wird Bevor man
63. zt Dabei steht das Objekt auf einem Pr zisionsdrehteller und eine Kamera fotografiert den Gegenstand unter bestimmten Winkeln ab Unter der Photogrammetrie ver steht man nach Quelle Lit3 die Registrierung und ma liche Rekonstruktion von Gestalt Konstellation und Koordinaten r umlicher Objekte mittels fotografi scher Abbildungen Dies setzt eine ad quate fotografische Aufnahme voraus die wesentlich mehr Informationen ber ein abgebildetes Objekt liefern als nur eine Sammlung von Koordinaten oder eine Punktwolke In der traditionellen Photogrammetrie wird ein rechtwinkeliges Koordinatensystem verwendet das von der Bildprojektion auf eine Ebene ausgeht Durch diese Tatsache ist der Blickwinkel auf weniger als 180 Grad eingeschr nkt Vorteil der Photogramme trie ist eine ganzheitliche Informationsgewinnung ber ein Objekt bei einer rela 1 3D Scanner tiv einfachen Aufnahme Bez glich der Aufnahme muss das Objekt nicht ber hrt werden z B erfassen mit Abtastnadeln oder Abtasten eines Lasers etc ist nicht notwendig noch muss das Objekt strukturiert beleuchtet dies w rde bei der Streifenprojektion verwendet werden Ein weiterer Vorteil der Photogrammetrie ist dass Aufnahmen auch nachtr glich ausgewertet werden k nnen um daraus Informationen zu extrahieren Die Photogrammetrie unterscheidet sich zur her k mmlichen Fotografie darin dass hierf r noch zus tzliche Informationen ber Ma zusammenh nge von den Ab

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