3D Scanner

Daten erfassen, diese in Messwerte umwandeln – und fertig ist ein 3D-Modell. Ganz so einfach ist es nun nicht, obwohl 3D Scanner schon seit vielen Jahren in unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz kommen – wie beispielsweise in den Naturwissenschaften, in der medizinischen Diagnostik, in Industrie und Architektur und natürlich auch in der Kreativwirtschaft. Ohne Zweifel variieren die Systeme zum 3D-Scannen mehr oder minder großflächiger Reliefe oder ganzer 360-Grad-Objekte erheblich, und die Technik ist sowohl hardware- als auch softwareseitig stark in Bewegung.

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Linkliste 3-D-Scanning

 Hier finden Sie alle Links zum Artikel »3-D-Scanning« der Ausgabe 04.2013

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Eine Videokamera, gebündeltes Licht und einen alten Plattenspieler – mehr braucht es nicht, um sich das Grundprinzip, nach dem Desktop-3D-Scanner 360-Grad-Aufnahmen von Objekten erfassen, konkret vorzustellen. Man platziert den zu scannenden Gegenstand auf der Mitte des Plattentellers und filmt ihn, während er sich um die eigene Achse dreht. Mittels Lichtstrahl misst das System die Entfernungsdaten des Oberflächenreliefs, eine Software verrechnet die ermittelten Daten zu einer Punktwolke, die man mittels 3D-Modeling-Software in ein Drahtgittermodell, das sogenannte Mesh, umwandelt, um Form und Oberfläche weiterzubearbeiten, sei es für 3D-Characters, 3D-Objekte und in animierten Szenerien im Gamedesign oder beispielsweise in CAD- und Architekturprogammen – oder natürlich für den 3D-Druck.

Eine ganze Reihe an Desktop-3D-Scannern wie der MakerBot Digitizer, der Matter and Form 3D Scanner MFS1V1, die Modelle Einscan-SE und Einscan-SP oder das Open-Source-Kit BQ Ciclop sind bereits verfügbar.

Will man kein Rundum-Modell vom Objekt erfassen, braucht man sich um die Rotation natürlich nicht zu kümmern und benötigt auch keine irgendwie geartete Plattentellervorrichtung. In diesem Fall kommen schon seit Langem sogenannte tragbare oder Handheld-3D-Scanner zum Einsatz. Welche als die derzeit besten gelten, lesen Sie auf der 3D-Scan- und -Print-Vergleichsplattform Aniwaa.com.

Bei den inzwischen verfügbaren 3D-Scanner-Apps für Smartphone und iPhone, die Aniwaa einem regelmäßigen Best-of unterzieht, beschränkt sich die Punktwolke dann auf ein fixes Oberflächenrelief, das, dreht man es im 3D-Modeling-Programm um eine seiner virtuellen Achsen, lediglich das »Innere« des Objekts offenbart. Erst bei Rundum-Aufnahmen entstehen 360-Grad-Punktwolken und das gescannte Objekt zeigt dem Betrachter sein echtes »Hinterteil«, wobei für solch einen Rundum-Scan prinzipiell auch sparsam gesetzte Fotoaufnahmen reichen, die eine 3D-Modeling-Software zu einem vollständigen dreidimensionalen Objekt verrechnet.

Was die in den Geräten verbaute Aufnahmetechnik betrifft, so kommt bei der »Plattentellermethode« zumeist das sogenannte Lichtschnittverfahren zum Einsatz. Ohne Laserlicht und mit der Kamera ums Objekt herum funktionieren dagegen eher sogenannte 3D-Photogrammetrie-Scans, die bei größeren bis sehr großen Objekten zum Einsatz kommen. Eine kurze Erläuterung der gebräuchlichsten 3D-Scan-Techniken finden Sie im PAGE eDossier »3D: Druck und Scanning«.

Die meisten professionell wie auch Consumer-seitig genutzten 3D-Scanning-Systeme laufen derzeit noch mit integrierter Kamera oder einer Webcam. Allerdings arbeiten verschiedene Unternehmen an Lösungen, bei denen das Smartphone die Kamera ersetzt. Für Schlagzeilen sorgten hier die Crowdfunding-finanzierten Desktop-3D-Scanner eora 3D oder das 2015 als Kickstarter-Projekt angekündigte 3D-Scanner-System Smart 3D Pixelio, bei dem das Smartphone in einer Halterung um ein ruhendes Objekt herumfährt, derweil die Macher des Systems offenbar abgetaucht sind …

Auch bei dem Bestreben, 3D-Scanning-Systeme direkt in Smartphones zu verbauen oder softwareseitig einzubinden, tut sich was: Auf der iFA 2017 präsentierte Sony mit dem Xperia XZ1 und dem XZ1 Comfort zwei Smartphones mit integriertem 3D-Scanner. Die Geräteerweiterung Bellus3D Face Camera Pro, mit der sich Smartphones in einen 3D-Scanner verwandeln lassen sollen – vorgestellt auf der CES 2017 –, befindet sich derzeit in der Pre-Order-Phase. Bevel, das man ebenfalls aufs Smartphone aufsteckt, ist bereits im Handel, und 3dscanexpert hat das Produkt einem ausführlichen Workflow-Test unterzogen.

Immer wieder unterhaltsam sind auch die regelmäßigen Insider-Spekulationen zu der Frage, ab welcher Modellversion das iPhone voll 3D-Scan-fähig sein könnte – sie schießen schon seit einigen Jahren immer wieder ins Kraut. Zuletzt stand das Thema Gesichtserkennung mittels Tiefensensoren im Mittelpunkt der Vermutungen. Lassen wir uns überraschen, wie es weitergeht …

3D-Scanning-Lösungen, die für den Designbereich relevant sind, stellt PAGE hier vor. Vom No- oder Low-Budget- bis hin zum Hightech-System ist alles dabei.


Mehr zum Thema 3D-Druck finden Sie auf 3Dmake – druck. design. technologie.



Erstveröffentlichung des folgenden Beitrags in PAGE 04.2013 | Autorin: Franziska Beyer 


INHALT

1 Vermessung der Welt
2 3D-Scan-Technik: »The Bay Lights«
3 Open-Source-Tools & Gratislösungen
4 Klassisches Laserscanning
5 Lichtmusterverfahren
6 Microsoft Kinect
7 Verfahren


Nach dem 3-D-Druck kommt jetzt das 3D-Scanning im Alltag an. Wir stellen Lösungen von der Gratis-App über preisgünstige Scanner bis hin zum Hightech-System vor – und Projekte, die diese Techniken kreativ nutzen


Kinect Video »Unnamed Sound Sculpture«
Zusammen mit dem Berliner Künstler Daniel Franke entwickelte onformative das Datenvisualisierungsprojekt »Unnamed Sound Sculpture«, das die Möglichkeiten der Kinect ausreizt. Dazu zeichneten sie mit drei Kinect-Kameras eine Tanzperformance in Echtzeit als 360-Grad-Punktwolke auf. Die Tänzerin Laura Keil interpretierte ein Stück des Soundkünstlers Machinefabriek. Das Set-up aus drei Kinect-Kameras erlaubte die Rundumaufnahme der Performance. Die Kreativen lasen die Daten jeder Kamera separat ein, synchronisieren sie mit einer selbst entwickelten Software und exportieren sie in ein Partikelformat. Dieses konnten sie in 3ds Max laden und dort mit der eigentlichen Visualisierung beginnen. Nach einigem Experimentieren entschied sich onformative für einen düsteren, rhythmischen Stil, der die Stimmung der Musik transportiert. Nachträglich fügten die Kreativen virtuelle Kamerabewegungen hinzu, die durch den Sound kontrolliert werden, und renderten das finale Video.


Wenn es am 5. März in San Francisco dunkel wird, leuchtet dort zum ers­ten Mal die weltgrößte Lichtskulptur – die Bay Bridge. Anlässlich des 75. Jah­res­ta­ges des Wahrzeichens kreierte der ame­­rikanische Künstler Leo Villareal ei­ne computergesteuerte Punktmatrix aus 25 000 rhythmisch blinkenden LEDs. Die­se sind an den Drahtseilen des rund 2,8 Kilometer langen westlichen Brückenzugs befestigt, der die Metropole mit Yerba Buena Island verbindet. Um zu testen, wie man die Leuchtdioden, Strom- und Datenkabel am besten mon­tieren könnte, brauchte das Projektteam ein Muster der Kabel, an denen die Bay Bridge aufgehängt ist. Da die Kreativen natürlich nicht einfach ein Stück heraussägen konnten, wurden sie erfinderisch: »Wir fotografier­ten ein Stück des Brückenkabels mit einer wet­terfesten Kamera«, berichtet New Media Developer Gian Pablo Villamil, »und nutzten dann Autodesk 123D Catch, um knapp vierzig unserer Aufnahmen in ein 3-D-Modell zu verwandeln.«

Die 3-D-Daten optimierte Gian Pab­lo Villamil anschließend mithilfe von netfabb Studio, einer Software zur Be­arbeitung von 3-D-Meshes, glättete Boden und Unterkante und druckte auf einem MakerBot-3-D-Printer eine Kopie des Kabels aus ABS-Plastik im Original­maß­stab aus. Nun entwarf das Team einen speziel­-len wetterfesten Clip, in dessen Auslassungen sämtliche Kabel entlanggeführt werden konn­ten. Die Clips be­fes­tigten die Kreativen schließlich mit­hilfe von Kabelbindern aus PVC-beschichtetem Stahl. »Und da wir silberfarbenes Plas­tik verwendeten, sind die Clips jetzt an den Drahtseilen der Bay Bridge so gut wie unsichtbar«, erklärt Gian Pablo Villamil.

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2 3D-Scan-Technik: »The Bay Lights«

Die 3D-Scan-Technik, die beim »The Bay Lights«-Projekt zum Einsatz kam, ist keine Weltneuheit und kein teures Hightech-System. Sie zeigt vielmehr, wie selbstverständlich 3D-Scanning inzwi­schen zur Problemlösung im Designbereich genutzt wird. Heute lässt sich fast alles scannen: Menschen, ganze Häuserzeilen, selbst winzige Ersatztei­le für Kleingeräte. Dies kann eine güns­tige, zeitsparende Alternative zum 3-D-Modelling sein. Dabei eignet sich die Technik nicht nur fürs Reverse Engineering, also für die Nachkonstruk­tion eines Objekts, sondern auch für Produktentwicklung und Rapid Prototyping. Momentan gibt es vier Haupttechniken, mit denen sich Raumdaten gewinnen lassen: mit bildbasierten Verfahren, mit dem Lichtmusterverfahren, per Laserscanner oder einer Tiefenkamera. Für jede Methode stehen Gerä­te und Software für jedes Budget bereit.

Bei der Wahl der passenden Technik für ein Projekt spielen viele Faktoren eine Rolle. Zunächst muss man sich fragen, was man erfassen will: Ist das Objekt bewegt oder unbewegt, einfarbig oder kontrastreich, groß oder klein? Während zum Beispiel Objekte, die mit dem Laser erfasst werden, möglichst ganz weiß sein sollten, sind Kontraste und Texturen bei der bildbasierten Me­thode entscheidend. Wer bewegte Mo­delle erfassen möchte, wird mit 3D-Scanning keine guten Erfolge erzielen und sollte sich stattdessen mit Motion-Tracking-Methoden vertraut machen. Entscheidend ist natürlich auch, in wel­chem Format die Daten später vorliegen sollen, ob sie nachbearbeitet werden müssen und wenn, in welcher Soft­ware. Schließlich sollte man sich fragen, wie wichtig die Detailtreue gegenüber dem Original ist.

Foto: Gian Pablo Villamil, Lucas Saugen
Foto: Gian Pablo Villamil, Lucas Saugen

 

123D Catch: Lichtinstallation »The Bay Lights«
Um die Möglichkeiten zur Befestigung der LEDs an der Bay Bridge in San Francisco zu erkunden, fotografierte das Team um Lichtkünstler Leo Villareal eines der Stahlseile und wandelte die Bilder mit Autodesk 123D Catch in ein 3-D-Modell um. Dann druckten die Kreativen eine Kopie in Originalgröße aus, mit der sie eine maßgeschneiderte Lösung entwickeln und das Projekt anschaulich präsentieren konnten.


Bildbasierte Techniken
Die Kamera erfasst das Objekt von allen Seiten. Eine Software untersucht die Fotos nach markanten Punkten und errechnet daraus ein 3-D-Modell


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3 Open-Source-Tools & Gratislösungen

Bei den bildbasierten Ansätzen sind in den letzten Jahren gleich mehrere populäre Lösungen entstanden, darun­ter Open-Source-Tools und Gratislösun­gen wie Microsoft Photosynth oder Autodesk 123D Catch. Als Hardware reicht hier eine Digital- oder Handykamera, mit der man das Objekt aus allen Perspektiven fotografiert. Aus diesen Aufnahmen generiert die Software dann automatisch eine 3-D-Punktwolke. Dafür sucht sie nach markanten Punkten und Strukturen, die auf mehreren Aufnahmen zu finden sind und bestimmt unter Zuhilfenahme der EXIF-Daten wie beispielsweise der Brennweite ihre Lage im Raum sowie die ungefähren Maße des Objekts. Die Anzahl der benötigten Bilder variiert dabei, ge­nerell gilt jedoch: je mehr Bilder, des­to genauer das 3-D-Modell. Bereits aus zwei Fotos erstellt die 99-Cent-App Trimensional ein 3-D-Modell, das man in professionelle Programme exportieren oder mit einem MakerBot-Drucker direkt ausgeben kann.


iPhone-App Trimensional
Die iPhone-App Trimensional erstellt aus nur zwei Aufnahmen ein 3-D-Porträt. Dazu analysiert sie, wie das Licht auf dem Gesicht reflektiert wird und errechnet daraus ein einfaches Polygonmodell. Dieses lässt sich in professionelle Programme exportieren. Die MakerBot-Edition von Trimensional erlaubt es zudem, die 3-D-Daten sofort auf Thingiverse.com hochzuladen und von dort direkt an einen 3-D-Printer weiterzuleiten und auszudrucken.


Sehr beliebt ist das kostenlose 123D Catch, das es sowohl als Browserver­sion als auch als Smartphone-App gibt. Es generiert besonders schnell ein 3-D-Modell, da die Bilder auf einen Server hochgeladen und dort berechnet werden. Steht das 3-D-Mesh zur Verfügung, erhält der Nutzer eine E-Mail. Eine Bearbeitungsfunktion erlaubt es, Löcher nachträglich von Hand zu schließen, Oberflächen zu glätten oder Teile des Modells abzutrennen oder zu planieren, etwa wenn man ein Objekt für den Druck vorbereitet. Probleme ergeben sich bei schwierigen Beleuchtungsver­hältnissen: Sind in den Bildern sowohl sonnige als auch schattige Bereiche vorhanden, tritt in den Punktwolken größeres Rauschen auf. Bildbasierte Verfahren sind besonders in Verbindung mit 3-D-Druckern beliebt, um sofort Kopien zu erstellen, wie zum Beispiel bei dem Scanathon im Asian Art Museum.

123D Catch Scanathon
Bei einem Scanathon im Asian Art Museum in San Francisco konnten die Gäste mit der App 123D Catch 3-D-Modelle ihrer Lieblingsexponate erstellen, diese direkt mit einem 3-D-Printer ausdrucken und die Miniaturen der Kunstwerke mit nach Hause nehmen. Die 3-D-Daten wurden zudem auf MakerBot Thingiverse veröffentlicht. Wer Zugang zu einem 3-D-Printer hat, kann sie herunterladen, sie gegebenenfalls verändern und eine eigene Kopie ausdrucken.

 

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4 Klassisches Laserscanning

Beim klassischen Laserscanning, ei­nem verhältnismäßig kostenintensiven Verfahren, tastet ein horizontaler Laserstrahl das Objekt ab. Ein Lichtsensor registriert die Reflexion, um mittels des so genannten Triangulationsverfahrens die Maße der Oberfläche zu errechnen. Gute Resultate liefern der portable High-End-Scanner Eva 3D von Artec (um 15 000 Euro) oder die stati­schen Modelle von Cruse Digital, die etwa für die Archivierung von Gemälden eingesetzt werden. Aber auch hier gibt es längst günstigere Möglichkei­ten. Eine beliebte Low-Budget-Lösung ist die Kombination eines selbst gebau­ten 3D-Scanners mit der Gratissoftware David-Laserscanner. Bauanleitun­gen für DIY-Scanner unter 100 Euro findet man im Netz unter anderem auf Instructables, Make: oder Hack A Day.

Die Designer Isaac Blankensmith und Kyle DeHovitz entwickelten im letz­ten Jahr den Prototyp eines tragbaren Laserscanners, der die Daten via Blue­tooth direkt an iOS- und Android-Geräte schickt. Das belgische Designstudio Unfold erkundet den kreativen Einsatz von 3D-Scanning in Verbindung mit Rapid Prototyping. Bei seinem Kunstprojekt »L’Artisan Électronique« konnten Ausstellungsbesucher eine virtuelle Töpferscheibe bedienen und das dabei entstehende 3-D-Modell mit einem Rep­Rap-3-D-Drucker aus Ton produzieren lassen.

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Linke Abbildung: 
Laserscanning

Ein horizontaler Laser-
strahl tastet das Objekt ab, die Kamera erfasst das Bild und eine Software errechnet die 3-D-Werte des Objekts.

Rechte Abbildung: 
Lichtmusterverfahren
Ein Projektor wirft Streifenmuster auf das Objekt. Anhand der Hell-Dunkel-Werte der Aufnahmen errechnet eine Software das 3-D-Modell.


5 Lichtmusterverfahren

Mit dem Lichtmusterverfahren kann man Objekte viel schneller und einfa­cher erfassen als mit dem Laserscanning. Hierbei beleuchtet ein Projektor das zu erfassende Objekt nacheinander mit hellen und dunklen Strei­fen­mus­tern, und eine Kamera nimmt auf, welche Bildpunkte im Hellen oder Dunk­len liegen. Eine Software errechnet dann die Dimensionen des Körpers und erstellt ein Polygongittermodell. Dabei ist wichtig, dass kein Fremdlicht einfällt, da dies die Aufnahme stören kann.

Mit etwas Aufwand lässt sich auch das Lichtmusterverfahren nachbauen, doch sind die Anschaffungskosten we­gen des Beamers höher als beim DIY-Laserscanner. Daher lohnt es sich, die Anschaffung einer Kinect zu erwägen, die ähnlich gute Ergebnisse liefert und leichter zu installieren ist. Im professio­nellen Bereich, besonders im Reverse Engineering, wird das Verfahren aber noch häufig eingesetzt. So fertigte das Londoner 3D-Scanning-Studio Inition auf diese Weise vom Kopf des Musikers Si Begg einen 3D-Scan und -Print an. Dieser diente der Kreativagentur ATYP als Grundlage für einen experimentellen Animationsfilm.

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6 Microsoft Kinect

Die prominenteste Tiefenkamera ist Microsofts Kinect, die ursprünglich als Bewegungssteuerung für die Xbox 360 gedacht war. Die Technik basiert auf Infrarotpunktmustern, die ein Projektor in den Raum wirft und eine Kamera wieder aufnimmt. Anders als das Lichtmusterverfahren kommt die Kinect mit einer einzigen Aufnahme aus, um die räumliche Tiefe aller Bildpunkte zu berechnen. Sie liefert damit ein Tiefenbild, also ein extrudiertes 2-D-Bild mit Tiefen­in­formationen, aber kein 360-Grad-3-D-­Bild. Ein wesentlicher Punkt, der für die Kinect spricht, sind der Preis von gerade mal 100 Euro für die Kamera in der Konsolenversion. Eine Edition für Windows ist etwa doppelt so teuer und enthält zusätzlich eine Lizenz, um mit dem SDK kommerzielle Anwendungen zu entwickeln.

Die Kinect sendet ein Infrarot-Punktmuster in den Raum. Die Kameras errechnen durch dessen Verzerrung Form, Größe und Entfernung des Objekts

 

Mit dem RGBDToolkit lassen sich die 3-D-Daten der Kinect-Kamera und die Farbdaten einer digitalen Spiegelreflexkamera in Echtzeit verbinden. Dadurch eignet sich die Lösung auch für Motion-Tracking-Projekte. Das Besondere: Die Daten lassen sich im Nachhinein auch aus einem anderen Blickwinkel wiedergeben. Der Medienkünstler und RGBDToolkit-Mitentwickler James George erstellte auf diese Weise zum Beispiel seine Installation »Spectacle«, bei der sich die virtuelle Kameraperspektive konstant verschiebt. Noch weiter ging die Ber­liner Digitalagentur onformative, die für ihr Projekt »Unnamed Sound Sculpture« drei Kinect-Kameras kombinier­te und so in Echtzeit eine 360-Grad-Punktwolke aufzeichnete, die sie in 3ds Max zu einem Musikvideo weiterverarbeitete.

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Fluid Scanning
Ebenso kurios wie kostengünstig ist das Verfahren, das sich der deutsche Medienkünstler Friedrich Kirschner schon 2008 ausdachte. Sein »Fluid Scanning«-System basiert auf der Idee, dass man die Silhouette eines Gegenstands leicht erfassen kann, wenn dieser von einer stark kontrastierenden Flüssigkeit umgeben ist – egal, ob Milch, Tinte oder Cola. Nach diesem Prinzip lässt sich schon mit einer Plastikschale voll Milch, ein paar Lego-Bausteinen und einer Webcam ein einfacher Scanner bauen. In einem größeren Bassin kann man aber auch einen Menschen scannen. Dieser wird dabei langsam in die Flüssigkeit abgesenkt, und die fixierte Kamera erfasst jedes Stadium. Die so aufgezeichneten Schichten setzt dann ein von Kirschner geschriebenes Open-Source-Programm zu einem 3-D-Mesh zusammen.

Foto: Christo Doherty
Foto: Friedrich Kirschner


Kinect und RGBDToolkit: Installation »Spectacle«

Der Fotograf Alexander Porter hat zusammen mit den Medienkünstlern James George und Jonathan Minard RGBDToolkit entwickelt, mit dem sich die 3-D-Daten der Kinect-Kamera in Echtzeit mit den Farbdaten einer digitalen Spiegelreflexkamera verbinden lassen. Die aufgezeichneten Daten lassen sich im Nachhinein auch aus einem anderen Blickwinkel anzeigen. Für seine Installation »Spectacle« in einer Gruppenausstellung im englischen Salford nutzte James George das Verfahren etwa, um andere an der Schau beteiligte Künstler zu interviewen. Auf drei Leinwänden zeigte er Filme, in denen sich die virtuelle Kameraperspektive konstant verschiebt und so eine stetig neue Perspektive zeigt.

Abbildung: James George
Foto: Alexander Porter

7 Verfahren

Alle vier Verfahren haben ihre Vorzüge, aber auch Nachteile. Die effizien­ten neuen bildbasierten Anwendun­gen fordern die noch vor zehn Jahren dominante Marktposition des Laserscannings heraus, da sie günstige und bedienungsfreundliche Alternativen bieten. Microsofts Kinect-Steuerung hat in kurzer Zeit eine Vielzahl kreativer Hacks und Projekte auf den Plan gerufen und durch ihre Genauigkeit und den niedrigen Preis viele teure Geräte obsolet gemacht.

Durch die Vielzahl von Open-Source-­Programmen gibt es inzwischen Low-Buget-Lösungen für die meisten 3D-Scanning-Techniken. Stark ausgeprägt ist dabei die Verbindung von DIY-Scannern und 3-D-Printern. In diesem Sektor gilt: Wo ein Wille ist, ist auch ein Weg. Egal, ob das ein aus Webcam und Laserpointer gebauter Laserscanner ist oder, wie im Falle Friedrich Kirschners Projekt »Fluid Scanning«, ein aufblasbares Planschbecken voll schwarzer Tinte, in das peu à peu eine Person abgesenkt wird und dessen Einzelaufnahmen am Bildschirm zu einem 3-D-Mesh zusammen­gesetzt werden.

 

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