Laserscanning wissenschaftliche vertiefung marc floeren by Laser Scanning Architecture

Abstract Das Laserscanning ist eine Technik die ihren Ursprung Ende der 60er Jahre in der Atmosphärenforschung hatte. Hauptanwendungsgebiete in der heutigen Zeit sind die Architektur sowie die Bauwerksvermessung und der Anlagenbau. Diese Technik wird dort schon seit Jahren erfolgreich eingesetzt, um unter anderem komplexe Baustrukturen schnell und einfach zu erfassen und weiter zu verarbeiten. Des Weiteren wird sie unter anderem verwendet, um vom Verfall bedrohte Kunstgegenstände zu scannen. Dadurch werden diese Kunstgegenstände für exakte Restaurationen vorbereitet und können somit für die Nachwelt erhalten werden. In dieser Technik steckt ein enormes Potential, um auch die Medienlandschaft um visuelle Möglichkeiten zu erweitern. Diese Arbeit stellt die beiden wichtigsten Methoden vor, zeigt die Auswertung der entstehenden Daten und deren Konvertierung zu 3D Modellen und beschäftigt sich mit der Analyse und Vorstellung aktueller Anwendungen im Medienbereich. Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Umsetzung von Laserscans für die Filmproduktion und der Spieleentwicklung. Im ersten Abschnitt befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung des Laserscans und mit den bis jetzt dominierenden Anwendungsgebieten. Anschließend werden die beiden wichtigsten Verfahren in Bezug auf Funktion und Ablauf vorgestellt. Diese verschiedenen Verfahren werden nach ihren technischen Aspekten und ihrem Nutzen analysiert. Der zweite Teil dieser Arbeit geht auf die Verarbeitung und Auswertung der durch den Laserscan entstehenden Punktwolken ein. Dazu werden die Teilschritte auf dem Weg zum 3D Modell genauer beleuchtet und es wird gezeigt, welche unterschiedlichen Anforderungen bei der Produktion von Filmen und in der Spiele-Industrie entstehen. Der letzte Abschnitt beschäftigt sich als Schwerpunkt der Arbeit mit konkreten Beispielen der Anwendung von Laserscans in der Filmproduktion und in der Spiele-Industrie. Die Vorteile für Produktionsfirmen und die Eröffnung neuer kreativer Werkzeuge werden hier genauer erläutert. Für den Bereich der Spiele-Industrie liegt die Aufmerksamkeit auf dem sehr hohen Realismusgrad, der durch diese Technik erreichbar wird. Andererseits befasst sich dieser Teil auch mit den Problemen der Umsetzung für Realtime Anwendungen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Betrachtung von den klassischen Anwendungen des Laserscans auf die aufkommenden Anwendungen im Bereich Medien zu lenken. Es soll ein grundlegendes Verständnis für die Funktion des Laserscans geschaffen werden. Dazu wird vermittelt, wie der Einsatz von Laserscans in der Filmproduktion sowie der Gaming Industrie neue Möglichkeiten kreiert. Die aufgeführten Beispiele zeigen welches Potential in dieser Technik liegt und welche Vorteile sie für involvierte Firmen mit sich bringt.

Inhaltsverzeichnis 1 Was ist Laserscanning

1.1

Einf端hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3

Allgemeine Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Verfahren 2.1

2.2

2.3

Terrestrisches Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.1

Funktion und Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.2

Impulslaufzeitverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.3

Phasendifferenzverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.4

Triangulationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.5

Farbaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.6

Registrierung mehrerer Scans . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.7

Spezialanwendung Mobile Mapping . . . . . . . . . . . .

Airborne Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1

Funktion und Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2

Abbildendes Laseraltimeter . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3

Multi Pulse Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.4

Full Waveform Digitalization . . . . . . . . . . . . . . .

Vor und Nachteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Datenauswertung

3.1

Beschreibung Punktwolken und Dateiformate . . . . . . . . . .

3.2

Verarbeitung der Punktwolken . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3

Von der Punktwolke zum 3D Modell . . . . . . . . . . . . . . .

4 Anwendung Medienbereich 4.1

4.2

4.3

Film und Fernsehproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1.1

Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1.2

Beispiel Musikvideo Baggage Man . . . . . . . . . . . .

4.1.3

Beispiel Spielfilm Lucy . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Spieleentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.1

Anwendungsgebiete und Technische Umsetzung . . . . .

4.2.2

Beispiel iRacing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 Fazit

Literaturverzeichnis

Bilderverzeichnis

Anhang

WAS IST LASERSCANNING

Was ist Laserscanning

1.1

Einführung

Das Laserscanning ist ein Verfahren zur Aufnahme von Umgebungen oder Objekten durch einen lasergesteuerten Scanner. Im Englischen und auch im Bereich Medien wird diese Technik Lidar genannt. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird der Begriff Laserscanner und Laserscanning verwendet. Die durch den Laser aufgenommen Punkte werden in Punktwolken dargestellt. Dabei kann solch eine Punktwolke aus mehreren Millionen Punkten bestehen. In dieser Punktwolke können Messungen durchgeführt werden, dadurch können Originalgrößen und Größenverhältnisse abgeleitet werden. Die Punktwolke kann anschließend weiterverarbeitet werden. Für diese Arbeit wurde ein Interview mit Dipl.-Ing. Johannes Rechenbach aus Hannover, einem Experten im Bereich des terrestrischen Laserscanning, geführt. Herr Rechenbach besitzt ein eigenes Architektur Büro1 in dem er seit 5 Jahren mit Laserscannern arbeitet. Er erfasst als Dienstleister Gebäude jeglicher Art. In dieser Arbeit werden in den verschiedenen Kapiteln Auszüge dieses Interviews zitiert. Das komplette Interview befindet sich im Anhang.

1.2

Entwicklung

Die Entwicklung von Lasermesssystemen hat Anfang der 1960er Jahre, kurz

Beginn der Entwicklung

nach der Erfindung des Lasers, begonnen. Der Vorläufer des Laserscanner ist

war Anfang der 1960er

das Lidar/Ladar (Light/Laser Detection and Ranging). Geprägt wurde der

Jahre.

Begriff durch die Atmosphärenforschung, die mittels Laser die Aerosolteilchenkonzentration in der Luft bestimmt(Abb.1). In der Öffentlichkeit wurde diese Art der Vermessung bekannt, als im Jahre 1971 während der Apollo 15 Mission die Oberfläche des Mondes gescannt wurde[Sun14].

Abbildung 1: Wasserdampf Lidar auf der Zugspitze, Quelle: [Wik06] 1

Architektur Büro LSA, www.laser-scanning-architecture.com

1.2

Entwicklung

WAS IST LASERSCANNING

Spezielle bildgebende Laserradar-Systeme werden seit den 1970er Jahren für Abstandsmessungen zum Erkennen von Hindernissen für Land- und Luftfahrzeuge und speziell für das rechtzeitige Erkennen von Hochspannungsleitungen für Hubschrauber (Reichweite 1,2 km, Entfernungsauflösung 10 cm) eingesetzt[Fec99]. Diese Technik wurde auch weiterhin in der Raumfahrt benutzt. Jedoch war diese Technik für den kommerziellen Markt anfangs noch unzuverlässig und sehr teuer. Die in den 1990er Jahren entstandenen Fortschritte in der Microchip Lasertechnologie und in der Fertigung optischer Elemente brachte die Entwicklung dieser Systeme weiter voran. Die Einführung der MEMS Technologie(Micro Electro Mechanical Systems) und die Weiterentwicklung der Computertechnologie halfen dabei, immer günstigere und kleinere Laser Messsysteme zu entwickeln. Durch diese Fortschritte wurde die Geschwindigkeit der Datenerfassung und die Genauigkeit der Streckenmessung verbessert. Die Zuverlässigkeit der Systeme konnte zusätzlich davon profitieren. Erste kommerzielle

Anfang der 2000er Jahre kamen die ersten terrestrischen Systeme auf den

terrestrische Systeme

Markt. Diese teuren Systeme hatten anfangs noch sehr geringe Reichweiten

kamen Anfang der

und die Messrate der Punkte pro Sekunde war recht niedrig. Dadurch hatten

2000er Jahre auf den

die Scans eine niedrige Auflösung und ein Scan dauerte wesentlich länger als

Markt.

heute. Eine konstante Weiterentwicklung dieser Terrestrischen Scanner brachte immer höhere Messraten und immer größere Reichweiten. Heutige Laserscanner können bis zu über eine Millionen Punkte pro Sekunde aufnehmen[Zoe15]. Die heutigen Scanner auf Impulslaufzeitbasis können Reichweiten von mehreren Kilometern erreichen[Rie15].

Erste Airborne

Aus den Messgeräten der NASA zur Vermessung von Planetenoberflächen

Laserscan Systeme

entwickelten sich die Airborne Laserscanner. Dort gab es erste kommerziel-

kamen Mitte der

le Systeme Mitte der 1990er Jahre. Die Technik des Airborne Laserscanning

1990er Jahre auf den

musste sich immer wieder gegen die Photogrammetrie 2 durchsetzen[Rot11].

Markt.

Dank einer rapiden Entwicklung dieser Technik konnten für das Airborne Laserscanning viele Vorteile gegenüber der Photogrammetrie entwickelt werden. Zu den Entwicklungen gehören unter anderem die Multiple Pulses in the AirSysteme[Rot08] (siehe Abschnitt 2.2.3 auf Seite 21), wodurch erhöhte Pulsraten erreicht werden konnten und die Full Waveform Digitalization(siehe Abschnitt 2.2.4 auf Seite 22), die vor allem im Bereich der Forstinventur enorme Vorteile mit sich bringt.

2 Photogrammetrie sind Messmethoden und Auswerteverfahren der Fernerkundung. Hierbei werden räumliche Lagen und dreidimensionale Formen anhand von Fotografien berechnet.

WAS IST LASERSCANNING

1.3

Allgemeine Anwendungsgebiete

Experte Johannes Rechenbach zu den allgemeinen Anwendungsgebieten des Laserscanings:

»Also klassischerweise wird beim Laserscannen oder wurde in den letzten Jahren das eben zur geometrischen Auswertung von Umgebungen verwendet, egal ob es nun um Architektur, um Fassaden und um Denkmalpflege geht [...] Im Anlagenbau ist es hochinteressant, weil dort auch sehr komplexe technische Installationen sind, die es gilt zu dokumentieren. Dort ist das Verfahren auch super anzuwenden, weil man am Ende aus dem Punktwolkenmodell auch CAD Extraktionen machen kann, wo alle Rohrleitungen und Verbindungsstücke nachmodelliert werden, um Teile der Anlage erneut zu planen und auszutauschen oder eine umfassende Dokumentation des Ist-Zustandes zu haben. Das sind so die klassischen Anwendungsbereiche. Ich sehe aber auch große Chancen darin in der visuellen Auswertung für Animationen, für Videos, für die Filmindustrie, für CGI-Themen, immer wenn es darum geht, dass man die Umgebung möglichst umfassend und detailgetreu dokumentiert. Weitere Vorteile sind, dass man diese erzeugten Daten auch über das Internet teilen kann und somit ortsfern weltweit zur Verfügung stellen kann. So werden z.B. alle Volvo-Fabriken weltweit schon gescannt und auch Umbauten aktuell immer nachgescannt, so dass also alle Projektbeteiligten von Volvo weltweit dort Zugriff haben, um eben Produktionsabläufe zu optimieren und Neuanlagen ohne Verluste an Zeit und Montageaufwand, der ohne den Scan viel aufwändiger wäre, effizient abzubilden.«

Architektur und Bauwerksvermessung Die Laserscan Technik ist ein nützliches Werkzeug bei der Planung und Ver-

Mit einem

messung von neuen Gebäuden. Ein bodengestützter Scan mit einem terrestri-

terrestrischen

schen Laserscanner gibt dem Architekt eine präzise Darstellung des Geländes

Laserscanner lassen

in digitaler Form. In diesen digitalen Repräsentationen der Umgebung kön-

sich Bauwerke

nen exakte Messungen durchgeführt werden. Anschließend wird daraus ein

innerhalb kürzester Zeit

3D Modell der Umgebung erstellt, indem der Architekt sein Bauwerk zur

vermessen.

Previsualisierung einsetzt. Schon vorhandene Gebäude werden mit Hilfe eines Laserscanners detailgetreu vermessen und aufgenommen. In diesen Scans können Anbauten und Umbauten problemlos und ohne großen Aufwand angebracht und getestet werden. Die dreidimensionalen Daten werden neben der Planung dazu benutzt, um ein skaliertes Modell des aufgenommenen Objektes mit einem 3D Drucker auszudrucken. Dieses Verfahren ist deutlich schneller als beispielsweise die Messung durch Handaufmaß oder durch Architektur Photogrammetrie[Wie04]. 3

1.3

Allgemeine Anwendungsgebiete

WAS IST LASERSCANNING

Anlagenbau und Fabrikplanung Das Laserscanning wird

Der Anlagenbau ist eines der größten Einsatzgebiete von Laserscannern. Sehr

dazu benötigt, um

oft ist es der Fall, dass alte Anlagen oder Gebäudekomplexe umgebaut wer-

Anlagen mit fehlenden

den sollen, die Pläne dazu aber nicht vorhanden oder veraltet sind. Durch

Bauplänen zu erfassen

das Laserscan Verfahren werden diese Anlagen schnell erfasst und es kann

und Umbaumaßnahmen

eine As-Build Dokumentation erstellt werden, um darauf aufbauend die An-

einzuleiten

lagen sowie deren technische Ausstattung neu zu planen. Vereinfacht wird dadurch das Einplanen von Stahlkonstruktionen und Fertigungsstraßen. In der chemischen Industrie und der Prozess-Industrie wird das Laserscan Verfahren zur Vermessung von Raffinerien, Rohrleitungen, Behältern und Lagern verwendet. Der Auftraggeber erhält eine reale Bestandsdokumentation (z.B. einen Aufstellungsplan oder Rohrleitungsplan). Der Vorteil ist, das während der laufenden Produktion in sicherheitskritischen Bereichen mit höchster Sicherheitsstufe gescannt werden kann. Der Auf- und Abbau eines Laserscanner in Gefahrenbereichen geht sehr schnell und er muss während des Scans nicht betreut werden. Dadurch wird ein gefährlicher Bereich nur sehr kurz vom Scannenden betreten. Ein Laserscanner hat dazu den Vorteil, dass er berührungslos ist. Die Anlagen werden somit im laufenden Betrieb aufgenommen und dem Betreiber fällt keine Ausfallzeit seiner Maschinen zur Last[Las14]. Bauteilevermessung und Qualitätssicherung

Bauteile und Fahrzeuge

Beim 3D-Laserscanning werden Bauteile maßstabsgetreu und vollständig drei-

werden gescannt, um

dimensional erfasst. Diese Daten können anschließend mit Hilfe von CAD Soft-

als Entwurf für die

ware aufgearbeitet werden. Sie kommen als Entwurf bei der Herstellung von

Herstellung neuer Teile

neuen Teilen zur Verwendung. Diese Aufnahmen werden bei der Qualitäts-

zu dienen

sicherung und der Messung von Bauteilen und Fertigungsstraßen benötigt. Dazu besteht auch hier die Möglichkeit diese Teile mit einem 3D Drucker zu drucken. Auch die Vermessung von großen Geräten und Fahrzeugen wie Schiffe und Flugzeuge wird mit Laserscannern durchgeführt. In dem daraus entstandenen 3D Modell können Messungen durchgeführt werden. Teile können virtuell angebracht oder zur Weiterverarbeitung extrahiert werden. Mit der Airborne Laserscanning Technik, dem Scannen aus der Luft, werden Leitungsstraßen und Geometrien, Pipelines und andere großflächige Anlagen erfasst. Ausgestattet mit Thermal Sensoren können auch Wärmelecks an FernwärmeLeitungssystemen festgestellt werden[Las14]. Bergbau und Tunnelbau

Messungen und Pläne

Im Bereich des Berg- und Tunnelbau werden durch die schweren Bedingungen

werden miteinander

wie Sicht, Geologie und betriebliche Bedingungen, ganz besondere Lösungen

verglichen, um

für die Vermessung benötigt. Aufgrund der Zielgenauigkeit bei Durchschlägen

Abweichungen

und für die präzise Maschinensteuerung werden besonders hohe Forderungen

festzustellen und zu

an die Vermessung gestellt. Die Laserscan Technik hat sich auch in diesem

korrigieren.

Bereich etabliert. Die 3D Aufnahmen liefern einen schnellen aussagekräftigen 4

WAS IST LASERSCANNING

1.3

Allgemeine Anwendungsgebiete

Vergleich zwischen Plänen und aktuellen Messwerten. Abweichungen von den Plänen werden somit zeitnah erkannt und Korrekturen können sofort durchgeführt werden. Ein großer Vorteil ist hierbei das ein Laserscanner unabhängig vom Umgebungslicht arbeitet. Somit kann ein Scan sogar bei absoluter Dunkelheit durchgeführt werden. Nicht nur unter Tage werden Laserscanner angewandt. Mit Hilfe von Airborne Laserscannern wird im Tagebau ein dreidimensionales Abbild von Gelände, Bauwerken und technischen Einrichtungen erzeugt. Planer können dadurch Höhenmodelle erstellen und Volumen von Abbaubereichen berechnen. Dadurch wird der Abbau besser geplant[Las14]. Forstinventur und Stadtbauplanung »Das Airborne Laserscanning wurde in den letzten Jahren zur Ableitung von Forstparametern für die Waldinventur umfangreich untersucht. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen flächenbasierten Methoden, um ganze Waldstücke aufzunehmen und Ansätze die den Einzelbaum als 3D Objekt detektieren und klassifizieren. Hauptfokus dieser Ansätze, ist die Bestimmung der für eine Waldinventur wichtigen Parameter Holzvorrat, Holzzuwachs und Baumartenverteilung.«[Rei09] Durch seine einzigartige Fähigkeit, die vertikale Struktur von Bäumen und

Mit Hilfe des Airborne

Wälder aufzunehmen und dabei auch den Boden zu detektieren hat sich die-

Laserscanning werden

se Technik in diesem Anwendungs-Bereich durchgesetzt. In Österreich und

große Waldgebiete

Deutschland sind einige Bundesländer komplett überflogen worden und die

gescannt. Diese werden

Regierungen beauftragten Firmen mit gezielten Aktualisierungen, z.B. nach

anhand der

großen Überschwemmungen. Die Schweiz ist in fünf Jahren überflogen wor-

aufgenommenen

den und die Niederlande führen ein Update für die gesamte Fläche mit einer

Forstparameter

Dichte von 10

Punkten/m2

durch. Ausschlaggebend sind die Qualität und die

Automatisierung, speziell die Höhenmessgenauigkeit in bewaldeten Gebieten. In skandinavischen Ländern mit homogenerer Waldstruktur ist das Airborne Laserscanning eine kommerziell genutzte Methode großer Forstbetriebe zur Bewuchshöhen-Erfassung[Pfe08]. Aus den Daten der Holzmenge, der Bewaldungsdichte und der Baumhöhe werden unter anderem Feuerverhaltensmodelle errechnet. Keine andere Technik kann solch riesige Gebiete in sehr kurzer Zeit aufnehmen und zur Weiterverarbeitung bereitstellen. Dadurch entstandene Oberflächenmodelle der Erde werden für die Stadt und Transportplanung verwendet. Aus den original Laserscan Daten werden mit spezieller Software Oberflächenmodelle von Straßen und Gebäuden geplant. Der Scan vorhandener Städte wird benutzt um freies Bauland zu identifizieren und um das Straßennetz intelligent auszubauen. Aufgrund der aufgenommenen Oberflächenmodellen, die Berge, Wälder und Flüsse abbilden, wird die Infrastruktur effizient und kostengünstig neu geplant[Lid14].

analysiert.

1.3

Allgemeine Anwendungsgebiete

WAS IST LASERSCANNING

Denkmalpflege und Archäologie Das Laserscanning

Menschliche Hinterlassenschaften wie Gebäude oder Kunstwerke aus der Ver-

unterstützt

gangenheit müssen vor dem Verfall bewahrt, gepflegt und restauriert wer-

Restauratoren bei der

den. Um dies zu ermöglichen und die Restauration zu gewährleisten sind La-

Erkennung und

serscans eine beliebte Technik. Diese Objekte lassen sich berührungslos mit

Kartierung von

höchster Präzision scannen und millimetergenau rekonstruieren. Kleinste Ris-

Schäden.

se oder Unebenheiten können erkannt und der Schaden kann kartiert werden. Im Anschluss ist es möglich diese Stellen für die Restauration vorzubereiten. Des Weiteren können Laserscans genutzt werden, um Veränderungen in der Oberflächenbeschaffenheit oder der Struktur von Denkmälern festzustellen und zu beheben. Dadurch können diese Denkmäler für die Nachwelt erhalten werden[Sch08]. Die gute Wirtschaftlichkeit dieses Verfahren spielt eine enorm wichtige Rolle für die Denkmalpflege.

Im Archäologischen

In der Archäologie können mit Hilfe von Airborne Laserscannern Ausgrabungs-

Bereich werden

stätten erfasst und analysiert werden. Von verborgenen historischen Stellen

versteckte Fundstellen

werden mit Hilfe der Airborne Technologie digitale Höhenmodelle erstellt. Da-

sichtbar gemacht.

durch werden kleinste Erhebungen sichtbar und Strukturen wie alte Gemäuer oder Gräben, die unter der Vegetation verborgen sind, können detektiert werden. Die gewonnenen Daten werden anschließend zur weiteren Analyse und Interpretation in ein Geographisches Informations-System integriert[Lid14]. Tatortssicherstellung/Unfallstellendokumentation/Beweissicherung

Tatorte werden für die

Bei Katastrophen wie Erdbeben oder Flugzeugabstürzen werden häufig Lasers-

Zukunft festgehalten.

canner, speziell Airborne Laserscanner, eingesetzt, um einen schnellen Über-

Sie können dann zu

blick über die Gesamtsituation zu erhalten. Dadurch wird der Einsatz der

einem späteren

Rettungskräfte besser geplant. So können beispielsweise bei Flugzeugabstür-

Zeitpunkt analysiert

zen entfernte Teile oder Personen identifiziert und dann zur Bergung vor-

werden

bereitet werden. Auch bei Unfällen oder Tötungsdelikten werden Laserscanner eingesetzt, um den gesamten Tatort samt Nachbarschaft einzufrieren und zur Analyse aufzubereiten. Der Scan wird sofort nach Ankunft der Ermittler durchgeführt. Dadurch wird gewährleistet, dass alle Beweise am Tatort noch vorhanden und nicht verfälscht sind. Diese Tatorte können noch Jahre später rekonstruiert werden und alle Beweise und Informationen über diesen Tatort sind noch vorhanden[WDR00]. Techniken wie diese wurden medial in der TVBranche aufbereitet und beispielsweise in Serien wie CSI Miami oder CSI Las Vegas

gezeigt.

Weitere Anwendungen finden sich auch im Bereich des Militärs, der Physik und Astronomie, der Meteorologie, der Küstenüberwachung, der Kartographie und der Flutmoddellierung[Lid14].

3 Crime Scene Investigation, eine US-amerikanische Fernsehserie. Sie zeigt die Arbeit einer Tatortgruppe der Kriminalpolizei in der jeweiligen Stadt. Dort wird speziell die Arbeit der Beweis und Spurensicherung geschildert.

VERFAHREN

Verfahren

2.1 2.1.1

Terrestrisches Laserscanning Funktion und Aufbau

Experte Johannes Rechenbach über die terrestrischen Laserscanner: »Der Neupreis der aktuellen Geräte liegt jetzt bei 35.000,00 e ca. netto. Das Laserscanning System arbeitet sehr schnell. Es ist eine streifen- und zeichenmäßige Abtastung der gesamten Umgebung mit Hilfe des Laserstrahls der aus dem Gerät gesendet wird. Er trifft auf eine Oberfläche und der Reflexionswert wird dann in der Software gespeichert als XYZ Koordinate und das Ganze passiert so schnell, dass das pro Sekunde mehrere hunderttausend Punkte ergibt und nach einem Umlauf, wo der Laserscanner sich um 360 Grad dreht, wird somit eben ein komplettes Abbild der Umgebung erstellt, von jeder Scan Position aus, von allen sichtbaren Oberflächen in dieser Umgebung.« Ein Laserscanner besteht aus einem Scankopf, in dem ein Diodenlaser einen leistungsstarken

Laserimpuls4

bzw. Strahl der Laserklasse 1 erzeugt. Die über-

Das Terrestrische Laserscanning ist für

wiegenden auf dem Markt erhältlichen Laserscanner erzeugen einen Laser-

die Durchführung eines

strahl im Wellenlängenbereich nahe dem Infrarot Bereich von etwa 780 nm bis

Scans am Boden

1 mm.[Rie15][Lei15] Im Vergleich zu klassischen Verfahren wie der Polarpunkt-

konzipiert.

aufnahme mit einem

Tachymeter 5 ,

werden bei dem terrestrischen Laserscan-

ning keine vorher festgelegten diskreten Punkte gemessen, sondern eine Vielzahl zufälliger Punkte die durch das Messraster des Laserscanner bestimmt werden. Es gibt zwei Arten von terrestrischen Laserscannern. Die etwas älteren Camera-View-Scanner und die Panorama Scanner. Die Camera-ViewScanner(Abb.2) haben ein sowohl in der horizontalen als auch im vertikalen Sichtfeld begrenzten Scanbereich. Hierbei wird der Laserstrahl über zwei bewegliche Spiegel auf der horizontalen und vertikalen Ebene über ein Raster ausgesandt. Airborne Laserscanner beruhen auf dieser Bauart(siehe Abschnitt 2.2.1 auf Seite 17). Ein Panorama Scanner(Abb.3) besteht aus einem Scankopf, der auf einem Sta-

Der überwiegende Teil

tiv, meistens einem Tripod, befestigt ist. Der erzeugte Impuls wird über einen

der auf dem Markt

rotierenden Spiegel, der sich in den meisten Fällen in der Mitte des Gerätes be-

befindlichen

findet, aus dem Gerät heraus auf die Umgebung geschossen. Der Spiegel rotiert

terrestrischen Scanner

um die horizontale Achse und lenkt den Strahl somit in drehender vertikaler

sind die Panorama

Richtung auf einem gleichmäßigen Raster im Bereich von 360◦ ab. Davon sind

Scanner.

aufgrund der Halterung und dem Stativ an der Unterseite des Laserscanners nur ca. 320◦ nutzbar(Abb.4). 4

Der Begriff Laser ist ein Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung.) 5 Gerät zur technischen Vermessung mit dem man Horizontalrichtungen, Vertikalwinkel und Schrägstrecke messen kann.

2.1

Terrestrisches Laserscanning

Abbildung 2: Camera-View Scanner Cyrax 2500, Quelle: [Cyr15]

VERFAHREN

Abbildung 3: Panorama Scanner Faro Focus3D x 130, Quelle: [Far14]

Der Laserscanner ist mit einem Motor auf dem Stativ befestigt. Dadurch lässt sich der Laserscanner auf dem Stativ drehen und kann somit 360◦ in der horizontalen abdecken(Abb.5). Durch die Rotation des Spiegels um 360◦ bzw. 320◦ um die horizontale Achse reicht es aus, dass sich der Scankopf auf dem Stativ insgesamt nur um 180◦ drehen muss, um eine komplette Hemisphäre abzubilden. Die Punkteverteilung ist bei dieser Art von Scanner zentrisch.

Abbildung 4: Punktaufnahme in Vertikaler Richtung, Quelle: Eigene Darstellung

Abbildung 5: Punktaufnahme in Horizontaler Richtung, Quelle: Eigene Darstellung

Eine Anforderung an den Laserscanner ist die Mobilität. An dem Scanner befindet sich ein leistungsstarker Akku mit dem mehrere Scans ohne externe Stromzufuhr durchgeführt werden können. In jedem Scanner ist eine Festplatte verbaut, auf der die Punktwolken eines Scans gespeichert werden. 8

VERFAHREN

2.1

Terrestrisches Laserscanning

Je nach Hersteller und Messverfahren kann der Scanner über eine Million Mes-

Scans können in

sungen pro Sekunde durchführen. Um eine höhere Genauigkeit des Scans zu

verschiedenen

erreichen kann der Scan in verschiedenen Detailstufen durchgeführt werden.

Detailstufen

Je mehr Punkte ein Scan an einer Stelle aufnimmt, desto detaillierter wird die

aufgenommen werden,

aufgenommene Punktwolke. Dadurch können jedoch sehr große Datensätze

dadurch erhöht sich die

mit mehreren Milliarden Punkten entstehen. Eine höhere Auflösung bedeutet

Anzahl der

gleichzeitig eine längere Scandauer, da sich der Scanner wesentlich langsamer

aufgenommenen

dreht, um mehr Punkte aufnehmen zu können. In den meisten Fällen reicht

Punkte.

jedoch ein Scan in einer mittleren Auflösung aus. Es gibt mehrere Arten der Entfernungsmessung eines Punktes auf einem Objekt. Die beiden häufigsten Verfahren sind das Impulslaufzeitverfahren und das Phasendifferenzverfahren. Eine weitere Methode ist das Triangulationsverfahren. Einige Laserscanner haben einen integrierten GPS Empfänger verbaut, dadurch können die Scans global zugeordnet werden. (Vgl.[Hei04] und[Ker07]) 2.1.2

Impulslaufzeitverfahren

Bei dem Impulslaufzeitverfahren wird durch den Laser ein Laserimpuls entsen-

Durch das

det. Gleichzeitig wird eine Zeitmessung gestartet. Ein Teil des Impulses wird

Impulslaufzeitverfahren

dafür verwendet, um diese Zeitmessung zu starten. Dieser Laserimpuls trifft

können enorm große

auf ein Objekt und ein Teil des Laserimpulses wird reflektiert. Eine Fotodiode

Distanzen von

am Laserscanner nimmt diesen reflektierten Strahl auf und die Zeitmessung

mehreren Kilometern

wird gestoppt. Da Geschwindigkeit des Laserimpulses(Lichtgeschwindigkeit =

erfasst werden

c) und die Laufzeit des Impulses ∆ t bekannt sind, kann mit dieser Formel die zurückgelegte Distanz ∆ d errechnet werden: c ∆d = ∆t 2 (Vgl.:[Ker99]) Durch die Hinzunahme des korrespondierenden Winkels des sich drehenden Scankopfes auf der horizontalen Achse und des korrespondierenden Winkels des rotierenden Spiegels auf der vertikalen Achse, kann die genaue Position des Punktes im lokalen Koordinatensystem des Scanners errechnet werden. Diese erfassten Polarkoordinaten werden direkt auf der Festplatte des Scanners gespeichert oder vorher durch einfache trigonometrische Beziehungen in das kartesische Koordinatensystem überführt und anschließend gespeichert. Vorteile dieser Art der Messung ist eine hohe Genauigkeit der Messung, eine hohe Zuverlässigkeit und eine schnelle Datenakquise. Zusätzlich dazu sind enorm große Reichweiten von mehreren Kilometern möglich. Diese Technik hat dementsprechend seine Stärken beim Erfassen von großen Distanzen.

2.1

Terrestrisches Laserscanning

2.1.3

VERFAHREN

Phasendifferenzverfahren

Das Phasendifferenz-

Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine sinusförmige Amplitudenmodulati-

verfahren hat eine sehr

on aus. Das modulierte Signal wird gesendet und das durch eine Oberfläche

hohe Genauigkeit auf

reflektierte Signal kommt zeitlich verzögert am Empfänger an und weist eine

kurzen Distanzen.

Phasendifferenz zwischen Sende- und Empfangssignal auf. Die Laufzeit des Laserstrahls wird anhand der Phasenverschiebung gemessen. Die Genauigkeit der Streckenmessung nimmt proportional zur Wellenlänge ab, d.h. eine kleiner Wellenlänge wirkt sich geringer auf die Unsicherheit der Strecke aus. Die Vorteile des Phasenvergleichsverfahrens sind die sehr hohe Messgeschwindigkeit, die höhere Genauigkeit im Vergleich zum Impulslaufzeitverfahren und die große Auflösung. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass die Reichweite der Messung begrenzt ist. Nur eindeutige Strecken unterhalb der Maximalstrecke können gemessen werden, da die Phasenmessung nur im Bereich einer Periode der Wellenlänge im Bereich von 0 bis 2π eindeutig ist[Ker99]. Aktuelle Laserscan Systeme die auf dem Phasendifferenzverfahren beruhen haben eine maximale Messstrecke zwischen 79m(Z+F IMAGER 5006h[Zoe14]) und 330m(Faro Focus3D X 330 [Far13]). Zugunsten einer höheren Genauigkeit wird bei diesen Geräten eine kürzere Wellenlänge verwendet. Das Verfahren eignet sich besonders für die Erfassung komplexer zusammenhängender Geometrien bei begrenzter Reichweite. 2.1.4

Triangulationsverfahren

Das Triangulations-

Die Trigonometrischen Gesetze werden bei diesem Verfahren zur Berechnung

verfahren hat zwar eine

von Entfernungen und Strecken verwendet. Die Lichtquelle(Diode mit Dreh-

hohe Messgenauigkeit,

spiegel), ein Sensor(Fotodiode) und das Messobjekt bilden zusammen ein Drei-

wird aber aufgrund der

eck(Abb.6). Der Abstand zwischen der Diode mit Drehspiegel und der Lin-

geringen Reichweite

se der Fotodiode ist bekannt. Es wird anschließend der Einfalls- und Aus-

nicht mehr verwendet.

fallswinkels des Laserstrahls gemessen. Durch die Messung der Winkel findet anschließend die trigonometrische Berechnung der Entfernung des gemessenen Punktes statt. Dieses Verfahren wird aufgrund der geringen Reichweite des Lasers und der hohen Bündelung des Lasers in den neueren Systemen nicht mehr eingesetzt. Jedoch hat auch dieses Verfahren eine hohe Messgenauigkeit.(Vgl.[Wey13])

Abbildung 6: Triangulationsverfahren, Quelle: [Wep13]

VERFAHREN

2.1.5

2.1

Terrestrisches Laserscanning

Farbaufnahme

Experte Johannes Rechenbach zur Funktion des Einfärbens einer Punktwolke: »Also, was erst einmal gemacht wird, wenn man die Farbwerte mithaben will, ist dass die Punkte durch den Kameradurchgang, der im Anschluss an den Grauwertescan erfolgt, so dass die Punkte hier alle eingefärbt werden, sodass diese Punkte eine farbliche Information im RGB Bereich bekommen.« Es gibt verschiedene Möglichkeiten eine Punktwolke einzufärben. Ein Punkt

Eine Punktwolke wird

wird von den überwiegenden Laserscannern nativ anhand seiner Reflexion auf

nativ durch die

der getroffenen Oberfläche eingefärbt.

Reflexions

Die Punkte werden durch verschiedene Intensitätswerte eingefärbt, die da-

Eigenschaften der

durch entstehen, dass die Oberflächen unterschiedliche Reflexionseigenschaf-

gescannten Punkte

ten haben. Sie werfen den Laserstrahl auf verschiedenste Art zurück. Eine

eingefärbt.

Oberfläche kann den Strahl diffus zurück werfen(Abb.7), dadurch wird nur ein Teil des ankommenden Strahls reflektiert. Der Strahl kann komplett in dieselbe Richtung des einfallenden Strahls reflektiert werden. Die Oberfläche wäre dann retroreflektiv(Abb.8). Ist die Oberfläche spiegelnd, wird der Strahl komplett in eine andere Richtung abgelenkt und nicht zurück zum Scanner reflektiert(Abb.9). Solche Oberflächen können von einem Laserscanner nicht aufgenommen werden, da die Reflexion den Laserscanner nicht mehr erreicht.

Abbildung 7: Diffus reflek- Abbildung 8: Retroreflektierende Oberfläche Quelle: tive Oberfläche, Quelle: Eigene Darstellung Eigene Darstellung

Abbildung 9: Spiegelnde Oberfläche, Quelle: Eigene Darstellung

Die meisten Oberflächen sind diffus reflektierend, jedoch unterschiedlich in der Art der diffusen Reflexion. Von dem eintreffenden Laserstrahl werden je nach Oberfläche mal mehr und mal weniger Anteile des Strahls zurück zum Scanner reflektiert. Der Anteil des reflektierten Strahls ausgehend vom gesendeten Strahl wird vom Scanner registriert und gemessen. Diese Intensitätswerte der Oberfläche werden schwarz-weiß-kodiert auf der Punktwolke abgebildet(Abb.10). Dadurch ist es möglich in der Punktwolke verschiedene Materialien und Objektunterschiede zu identifizieren. Eine genauere Struktur der aufgenommenen Umgebung ist dadurch zu erkennen.[Hei04]

2.1

Terrestrisches Laserscanning

VERFAHREN

Abbildung 10: Schwarz-Weiß-Kodierte Punktwolke, Quelle: [btf15]

Einige Bearbeitungs-Programme, wie beispielsweise Autodesk ReCap, können die Punktwolke nachträglich einfärben, beispielsweise anhand der Intensitätswerte der Punkte(Abb.11), anhand der Höhenlage des Punktes(Abb.12), nach der Ausrichtung der Normalen(Abb.13) oder anhand der verschiedenen Scan Orte(Abb.14).

Abbildung 11: Einfärbung der Punktwolke anhand der Intensität, Quelle: [Rec14]

Abbildung 12: Einfärbung der Punktwolke anhand der Höhenlage, Quelle: [Rec14]

Abbildung 13: Einfärbung der Punktwolke Abbildung 14: Einfärbung der Punktwolke anhand der Ausrichtung der Normalen Quel- anhand der Positionen der Scanner, Quelle: le: [Rec14] [Rec14]

Um eine Punktwolke

Einige Hersteller haben zusätzlich zum Laser eine einfache Kamera installiert.

realistisch aussehen zu

Diese schießt im Anschluss eines Scans, Fotos der eingescannten Umgebung,

lassen werden Fotos

so dass ein Panorama der Umgebung entsteht. Diese Fotos sind in der gleichen

benutzt.

Auflösung wie die Punktwolke. Dadurch wird automatisch jedem gescannten Punkt ein Pixel des Panoramabildes zugeordnet(Abb.15).

VERFAHREN

2.1

Terrestrisches Laserscanning

Abbildung 15: Einfärbung der Punktwolke anhand eines Fotos, Quelle: [Rec14]

Einige Systeme haben auch die Möglichkeit eine eigene Spiegelreflexkamera auf dem Gerät anzubringen. Damit können dann eigene Fotos in beliebiger Auflösung geschossen werden, die nachträglich mit Hilfe von spezieller Software auf die Punktwolke projiziert werden. Um die Fotos exakt übereinander zu legen, müssen identische Punktpaare in Punktwolke und Farbfoto definiert und erkannt werden. Je mehr Punktpaare vorhanden sind, desto genauer wird die Projektion des Fotos. Als Punkte können Passmarken verwendet werden. Aber auch die Objektgeometrie kann dafür verwendet werden. Wenn im VFX6 Bereich eine fotorealistische Punktwolke benötigt wird, wird dies durch eigens aufgenommene HDR Images 7 mit 32Bit Farbtiefe realisiert. Diese Fotos werden an der Stelle des durchgeführten Scans aufgenommen und nachträglich auf die Punktwolke projiziert. Im Bereich der Spieelentwicklung muss bei den aufgenommenen Bildern die meist als Textur dienen, darauf geachtet werde dass die Bilder möglichst keine direkte Sonneneinstrahlung enthalten. Durch eine ausschließlich diffuse Beleuchtung, kann eine nachträgliche virtuelle Beleuchtung eingefügt werden. 2.1.6

Registrierung mehrerer Scans

Experte Johannes Rechenbach über die Registrierung mehrerer Scans mit und ohne Passmarken: »[...] In der Regel erstellt man von der Umgebung zuvor einen Lageplan oder macht sich ein Bild davon wie viel Aufstellungen ich wo nötig habe und abhängig davon werden Passmarken in der Umgebung aufgestellt, da sollte man pro Scan drei überlappende Passmarken haben, die dann auch eben im Nachbarscan erkannt werden, so dass diese dann später auch in der Software korrekt stationiert werden können. [...] das [zusammenführen]ist eigentlich ein halbautomatischer Prozess, d.h. wenn ich in der Scan-Umgebung genügend Passmarken aufgestellt habe. Das sind in der Regel Ku6 VFX beschreibt visuelle Effekte bzw. visual effects, die in der Postproduktion einer Filmproduktion erstellt werden. 7 High Dynamic Range Image oder Hochkontrastbild. Das ist ein Bild das hohe Kontraste detailreich wiedergibt. Zur Aufnahme können Spezialkameras verwendet werden. Es können jedoch auch Bilder in unterschiedlichen Belichtungen zusammengeführt werden, um ein HDR Image zu erstellen.

2.1

Terrestrisches Laserscanning

VERFAHREN

geln [...] oder auch Schachbrettmuster, die man auf einem DIN-A4-Blatt ausdrucken kann und an die Wand hängt. Diese werden dann in der Software automatisch erkannt, so dass beim Prozessieren der Scans in der Software Faro Scene[Software des Scanner Herstellers Faro zur Verarbeitung der Scans] diese dann auch lagerichtig zueinander positioniert werden. [...] das [zusammenführen ohne Passmarken] ist eine sehr aktuelle Tendenz die sich sehr anbietet für visuelle Auswertungen, wo die Passmarken eben auch optisch stören würden. Das geschieht dann über die Cloud to Cloud Registrierung, wo einzelne Punktinhalte und Ebenen und Inhalte der Scans automatisch erkannt werden und lagerichtig zueinander positioniert werden. Das funktioniert schon sehr gut je nach Umgebung. Wenn ich allerdings im Außenbereich bin und Bäume habe die im Wind ihre Geometrie verändern, dann ist es teilweise nicht ganz so einfach. Das muss man von Projekt zu Projekt entscheiden, wie man da vorgehen möchte.« Die Referenzierung

Das Ziel der Registrierung ist die Transformation jedes einzelnen Scans in ein

mehrerer Laserscans

gemeinsames Koordinatensystem. Dafür müssen zuerst Parameter zur Über-

eines Objektes

einstimmung ermittelt werden. Die Parameter zu definieren ist durch verschie-

zueinander, bzw. einer

dene Ansätze möglich. Mehrere Scans können zueinander referenziert werden,

Umgebung wird

indem Passmarken als Parameter verwendet werden. Diese Passmarken können

Registrierung genannt.

Regelgeometrien wie Kugeln, Quader oder Zylinder sein(Abb.16). Sie werden im Scanbereich aufgestellt. Sie müssen überlappend sein und dürfen von einem Scan zum anderen Scan nicht in der Position verändert werden. Das selbe kann mit Zielmarken(Schachbrettmuster) erreicht werden. Sie werden an den Wänden angebracht und bleiben an den gleichen Stellen während der Scan Vorgänge(Abb.17). Mit Hilfe der Remmisionswerte der Marker, können diese in den Scans erkannt werden. Anhand dieser Marker oder Regelgeometrien können die Scans anschließend registriert werden. Dabei werden diese Parameter in einer Software(bsp. Faro Scene oder Leica Cyclone) markiert. Die Software legt die markierten Parameter übereinander und richtet die Punktwolken daran aus. Dadurch werden mehrere Scans zu einem großen Scan zusammengesetzt.

Abbildung 16: Kugel als Passmarke Quelle: [Las13]

Abbildung 17: Schachbrettmuster als Zielmarke, Quelle: [Las12]

VERFAHREN

2.1

Terrestrisches Laserscanning

Diese Pass- oder Zielmarken arbeiten jedoch gegen den Vorteil des berührungslosen Verfahrens(siehe Abschnitt 2.3 auf Seite 23). Zwar können diese Marker in der Positionierung frei gewählt werden und müssen nicht zwangsweise an einem zu scannenden Objekt angebracht werden, jedoch können diese Marker bei einem Scan eines Raumes oder einer Umgebung störend sein und müssen nachträglich aus dem Scan bzw. der Punktwolke entfernt werden. Es gibt jedoch auch markerlose Verfahren wie die Cloud-to-Cloud oder die Top-View Registrierung. Eine Funktion dieser Lösungen ist der ICP-Algorithmus (iterative closest point)[Che02]. Hierbei werden im Überlappungsbereich zweier Punktwolken Bereiche segmentiert, in denen näherungsweise identische Punkte über die Bestimmung der kürzesten Distanz ausgewählt werden. Iterativ kann dann eine Annäherung der beiden Punktwolken erreicht werden und eine Registrierung der unterschiedlichen Scans findet statt. 2.1.7

Spezialanwendung Mobile Mapping

Experte Johannes Rechenbach zum Thema Mobile Mapping: »[...] Der dritte Teilbereich [...] ist das Mobile Mapping, wo ich einen Laserscanner oder auch mehrere Systeme z.B. auf einem Auto montieren kann oder auf eine Lokomotive, um Bahnstrecken zu erfassen und alle Anbauten, Signale und Störkanten die es im Gleisbereich gibt. Da wird der Scanner so verwendet, dass er sich nicht um die eigene Achse dreht, sondern er bleibt starr in einer Position und misst ständig nach links und rechts raus, wobei das Fahrzeug sich bewegt, und je nach Schnelligkeit des Fahrzeuges erhalte ich dann eine mehr oder weniger dichte Punktwolke. [...] es ist schon üblich heutzutage, dass man für die städtische Infrastruktur z.B. oder für Autobahnwegesysteme dieses Mobile Scanning einsetzt, um eben auch die lichten Höhen unter Autobahnbrücken z. B. zu erfassen oder wo in welcher Art Straßenschilder, Kanaldeckelstörkanten vorhanden sind, die dann später ausgewertet werden können. [...] man kann sogar das Gerät auf dem Fahrrad montieren, so dass man einfach auf einem kleinen Anhänger den Scanner hinter sich her zieht. [...] dann hängt es eben von der Fahrgeschwindigkeit ab, in der Regel fährt man so 40 bis 60 km/h, um auch eine genügend dichte Punktwolke zu erreichen.« Bei dieser Anwendung werden Laserscanner auf mobile Plattformen wie Au-

Das Mobile Mapping ist

tos, Boote oder Eisenbahnen gebaut. Diese Fahrzeuge werden mit mehreren

eine weitere

Laserscannern bestückt die keine Rotation um die eigene Achse haben. Der

Anwendung für einen

Laserstrahl wird nur auf einer Achse durch den Rotierenden Spiegel abgelenkt.

terrestrischen

Es gibt im Bereich des Mobile Mapping mehrere Ansätze wie die Punkte ef-

Laserscanner.

fektiv aufgenommen werden können.

2.1

Terrestrisches Laserscanning

VERFAHREN

Abbildung 18: Mobile Mapping mit vier Laserscannern auf einem Auto, Quelle: [Haa09]

Abb.18 zeigt die Aufnahme durch vier Scanner. Zwei Scanner für die vertikale Aufnahme der Punkte an beiden Seiten des Fahrzeuges und zwei Scanner für die Aufnahme der horizontalen Punkte ober- und unterhalb des Fahrzeuges. Bei allen vier Scannern beträgt der Scan-Winkel des Laserstrahls 80◦ .

Abbildung 19: Mobile Mapping mit zwei Laserscannern auf einem Auto, Quelle: [Mar15] bearbeitet

Abb.19 zeigt die effizientere Art mit zwei Laserscannern. Hierbei werden die Laserscanner leicht schräg an den beiden hinteren Ecken des Fahrzeuges angebracht. Dadurch, dass die Scanner frei stehen, können sie auf einer kreisrunden Ebene im Bereich von 360◦ Punkte aufnehmen. In beiden Fällen wird die Bewegung des Scanners auf der Ebene durch das Fortbewegen des Fahrzeuges gewährleistet. Die Scanner müssen im Bereich der Punktaufnahme einen überlappenden Bereich zur Registrierung haben. Die genaue Position und Ausrich16

VERFAHREN

2.2

Airborne Laserscanning

tung des Fahrzeuges und somit der Scanner wird, ähnlich wie beim Airborne Scanner(siehe Abschnitt 2.2.1 auf Seite 17), mit einem Hochleistungs Ortungsund Navigations-System und einem Inertial Messer bewerkstelligt. Zusätzlich zu den Scans werden bei den meisten Komplettsystemen auch hochauflösende Bilder durch angebrachte Kameras aufgenommen um die Punktwolken einzufärben(siehe Abschnitt 2.1.5 auf Seite 11). Die Genauigkeit liegt, aufgrund der unstetigen Bewegung, in aktuellen System bei ca. 8mm. Die Positionsgenauigkeit der Systeme durch den GPS und Inertial Messer liegen bei ca. 18mm. Ihr Aufnahmebereich liegt zwischen 1,5m und einem Kilometer. Mit Mobile Mapping können Schienensysteme zur Planung von Bebauung

Hauptaufgabe dieser

aufgenommen werden, sowie Straßenzüge und Stadtviertel, beispielsweise zur

Scanner ist die

Planung einer Umgestaltung. Ihr Vorteil gegenüber Airborne Laserscannern

Aufnahme jeglicher

ist, dass auch Unterführungen und Tunnel aufgenommen werden, sowie Häu-

Transport-

serfassaden. Gegenüber herkömmlichen terrestrischen Laserscannern liegt der

Infrastruktur.

Vorteil darin, dass lange Strecken oder verwinkelte Straßenzüge bei einer etwas geringeren Genauigkeit und Auflösung wesentlich schneller aufgenommen werden können. (Vgl.[Haa09] und [Roy12])

2.2 2.2.1

Airborne Laserscanning Funktion und Aufbau

Experte Johannes Rechenbach zum Thema Airborne Laserscanning: »[...]Das [Airborne Laserscanning ]ist natürlich eine kostenintensive Geschichte, da dort über einen Helikopter oder ein Flugzeug rausgescant wird. Aufgrund der großen Distanzen zu den Oberflächen ist das Verfahren weniger genau. Es ist aber durchaus möglich auch Genauigkeiten von 5 bis 10 cm zu erzeugen. [...] was in letzter Zeit dort als Konkurrenz auftaucht, ist auch das PhotogrammetrieVerfahren, dass man von Drohnen aus preisgünstig mit Hilfe von bis zu Tausenden von Einzelfotos eben auch eine Punktwolke erzeugen kann. Das ist eine sehr spannende Entwicklung, die auch in Zukunft sicherlich weitere Überraschungen bereithält.« Das Airborne Laserscanning(ALS) wird auch Laseraltimetrie genannt. Mittels

Das Airborne

Airborne Laserscanning werden in kürzester Zeit die Geometriedaten und die

Laserscanning ist für

Topographie von großen Flächen ermittelt. Wird ein Laser im Wellenlängenbe-

die Durchführung eines

reich 490-575 nm (grün) verwendet, können auch

bathymetrische8

Messungen

durchgeführt werden. [Noa15]

Entfernungs-Scans aus der Luft konzipiert.

8 Bathmetrie bezeichnet die Vermessung der Topographie unterhalb der Wasseroberfläche, also Meeresböden oder Gewässerbetten.

2.2

Airborne Laserscanning

VERFAHREN

Das Airborne Laserscanning funktioniert im Prinzip wie ein terrestrischer Laserscanner. Angebracht an der Unterseite eines Fluggerätes, beispielsweise eines Flugzeuges, einer Drohne oder einem Helikopter, selten auch eines Satelliten, wird der Laserstrahl auf die Erdoberfläche geschossen. Auch hier kann zur Messung der Entfernung eines der beiden oben beschriebenen Verfahren, Phasendifferenzverfahren(siehe Abschnitt 2.1.3 auf Seite 10) und Impulslaufzeitverfahren(siehe Abschnitt 2.1.2 auf Seite 9) verwendet werden. In der Praxis wird in den Systemen das Impulslaufzeitverfahren verwendet, da dieses Verfahren für große Entfernungen konzipiert ist. Zusätzlich zu der gemessenen Entfernung zur Oberfläche, muss auch die exakte Position des Fluggerätes zum Zeitpunkt der Messung ermittelt werden. Hierfür wird ein GPS Tracking verwendet. Dieses ermittelt bei jedem Aussenden eines Laserstrahls die exakte Position des Fluggerätes. Die Positionierung geschieht anhand einer bordinternen Ortung via Satellit, sowie einer externen Ortung über eine bekannte Referenzstation am Boden(Abb.20). Um die exakte Position festzustellen, muss in die Positionsberechnung zusätzlich die Entfernung des Lasers zur GPS Antenne als statischer Wert mit in die Berechnung einfließen, da das GPS Signal an der Antenne des GPS Trackers abgenommen wird. Dazu ein Zitat der NASA zur GPS Positionierung im Airborne Laserscanning System RASCAL: »The position from the GPS trajectory is the position of the antenna, not the laser. So, we come up with a physical offset or translation from the antenna to the laser. This has been done through brute force measuring, and through static GPS surveys of the aircraft. (We mark positions and then move the aircraft and set up static GPS surveys of the marked spots).«[Ras15] Ein weiterer wichtiger Schritt für eine genaue Positionierung ist die Orientierung des Fluggerätes. Mit Hilfe einer IMU (Inertial Measurment Unit) können die drei Flugparameter Pitch (Neigung um die Querachse), Roll (Neigung um die Längsachse) und Yaw (Drehung um die Hochachse) gemessen werden, um zu bestimmen welche Neigung und Drehung das Fluggerät zur Zeit der Aussendung des Laserstrahls hat(Abb.20). Die

Der Laserstrahl wird wie beim terrestrischen Laserscanning mit einem Spiegel

Laserstrahlerzeugung

oder einem Prisma auf die Erdoberfläche reflektiert. Das Sichtfeld des Lasers

und -ablenkung zur

in der Breite beträgt zwischen 0-75◦ und ist meist einstellbar in 1◦ Schrit-

Erde funktioniert wie

ten(Bsp. Leica ALS60 [Lal15]). Der Spiegel oder das Prisma wandert über die

bei einem terrestrischen

Breite des Sichtfensters, welches quer zur Flugrichtung liegt und lenkt den La-

Scanner.

ser abhängig von der Größe des Sichtfeldes mit bis zu 5 kHz(RASCAL, NASA [Ras15]) ab, um eine Messung durchzuführen. Anschließend wird die Position des Prismas oder Spiegels zurückgesetzt und der Ablauf beginnt von vorne.

VERFAHREN

2.2

Airborne Laserscanning

Abbildung 20: Genaue Positionierung eines Flugzeuges mit GPS und IMU, Quelle: [Gep15] bearbeitet

Eine Weiterentwicklung dieser Technologie ist der Multiple-Output Scanner. In diesen Systemen werden zwei Laserimpulse erzeugt, die die Umgebung über Kreuz einscannen. Durch diese parallele Verwendung kann eine höhere Auflösung der Umgebung erzielt werden. Alternativ kann die Geschwindigkeit des Fluggerätes erhöht werden, um ein Gebiet bei gleicher Auflösung schneller einzuscannen(Abb.21).

Abbildung 21: Aufnahme der Punkte durch einen Multiple-Output Scanner, Quelle: Eigene Darstellung

»The resulting effect is similar to that of having two fully synchronized LIDAR systems flying in the same aircraft at the same time.«[Rot11] Abhängig durch Fluggeschwindigkeit und Flughöhe kann die Zahl der Messungen variiert werden. Je dichter das Messraster der Geländeabtastung ist, umso detailreicher zeichnen sich auch feinste Oberflächenstrukturen ab. Für detailreiche Messung ist daher ein Hubschrauber im Vergleich zu einem Flugzeug die 19

2.2

Airborne Laserscanning

VERFAHREN

bessere Wahl. Bei jedem Aussenden eines Strahles wird ein Timestamp und die exakte Position des Spiegels bzw. des Prismas festgehalten. In Kombination dieser Daten mit den Koordinaten des GPS und den Positionsdaten der IMU, kann die genaue Position eines jeden Punktes ermittelt werden. Zur Zeit der Messungen muss gewährleistet werden, dass diese verschiedenen Messwerte der Sensoren synchronisiert sind. Anschließend werden die gescannten Punkte samt Koordinaten in einem Referenzsystem, Bsp. WGS 84 9 ), abgespeichert. Im Gegensatz zu der zentrischen Punktverteilung eines terrestrischen Laserscanners ist die Punkteverteilung bei der Airborne Technologie, homogen. Abhängig vom verwendeten Airborne Scanner und der Höhe des Fluggerätes, können auf dem Boden Laserpunkte mit einer Größe zwischen 20 Zentimeter und bis zu 25 Meter entstehen. Die Breite des Aufnahmestreifen variiert je nach Flughöhe zwischen 50m und bis zu 9 Kilometer. Bei den Messungen selbst sind Genauigkeiten im Bereich um bzw. unter einem Dezimeter üblich. Man unterscheidet prinzipiell zwischen der absoluten Genauigkeit (ca. 10-24cm in der Höhe und 25-50cm in der Lage) sowie der relativen Genauigkeit(Punkt zu Punkt), die mit verschiedenen Softwarealgorithmen bis auf ca. 2-5cm in der Höhe und 6-15cm in der Lage gesteigert werden kann. Forstwirtschaft,

Hauptsächliche Anwendungsgebiete sind das Scannen von Landschaftsober-

Archäologie,

flächen, Geländehöhen und Objekten wie Gebäude oder Bäume. Diese durch

Architektur,

Airborne Laserscanning aufgenommenen dreidimensionalen Geodaten werden

Stadtplanung,

im Bereich der Architektur, der Stadtplanung und Infrastrukturplanung sowie

Infrastrukturplanung

im Katastrophenschutz benötigt. Da durch die Waveform Digitalization(siehe

und Katastrophenschutz

Abschnitt 2.2.4 auf Seite 22) Unterschiede zwischen Baumkronen und Boden

sind die Hauptanwen-

erkannt, sowie historische Relikte und menschliche Spuren detektiert werden

dungsgebiete des

können, hat sich diese Technik auch im Bereich der Forstwirtschaft(Abb.22)

Airborne

und der Archäologie(Abb.23) durchgesetzt. Im Bereich der Multimedia Pro-

Laserscannings.

duktion bzw. Film und Fernsehproduktion wird ALS beispielsweise für Flüge über Landschaften angewendet. Diese Technik könnte auch für die Modellierung der Umgebung bei Flugsimulatoren in Frage kommen. Dadurch bekämen die früher eher flachen Welten Höhen und Struktur. (Vgl. [Geo15], [Arc15] und [Gep15])

Abbildung 22: Airborne Laserscann eines Waldstückes, Quelle: [Wei12]

Abbildung 23: Airborne-Laserscan der Sallacher Viereckschanze, Quelle: [Tos13]

9 World Geodetic System 1984, ein geodätisches Referenzsystem als einheitliche Grundlage für Positionsangaben auf der Erde und im erdnahen Weltraum.

VERFAHREN

2.2.2

2.2

Airborne Laserscanning

Abbildendes Laseraltimeter

Ein abbildendes Laseraltimeter misst zusätzlich zur Position eines Messpunktes die Energie des reflektierten Laserpulses. Hierdurch kann wie beim terrestrischen Laserscanning(siehe Abschnitt 2.1.5 auf Seite 11) ein Reflexionsbild der Oberfläche erzeugt werden. Dieses Bild ist automatisch mit den Höhendaten der gescannten Oberfläche ko-registriert und geo-referenziert. Dieses Reflexionsbild der Oberfläche ist frei von jeglichen Objektschatten. Da das Laserscanning im Allgemeinen unabhängig von den Beleuchtungsverhältnissen ist, kann eine Befliegung des Zielgeländes auch nachts durchgeführt werden. (Vgl: [Geo15])

2.2.3

Multi Pulse Systeme

Es ist möglich, das Objekte wie z.B. Bäume für einen Laserstrahl durchlässig

Beim First Last

sind oder nur von einem Teil des Laserstrahl getroffen werden. Dadurch ist es

Impulse Verfahren

möglich, dass nur ein Teil des Laserimpulses beim ersten auftreffen reflektiert

werden die erste und

wird. Der restliche Teil des Impulses wird durchgelassen und erst später(z.b.

die letzte Reflexion

am Boden) reflektiert. Dieses Verfahren, bei dem nur die erste Reflexion des

registriert.

Laserstrahls registriert wird, nennt sich Single Pulse Verfahren. Um diese Eigenschaft der verschiedenen Reflexionen zu nutzen und dadurch unterschiedliche Höhen der Objekte abzubilden, wurde das First- Last- Pulse Verfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren wird der erste reflektierte Laserimpuls als First-Pulse registriert, der zeitversetzt eintreffende letzte reflektierte Laserimpuls wird als Last-Pulse registriert(Abb.28). Anhand der zeitlichen Differenz zwischen den beiden Impulsen, kann die Höhe des gescannten Objektes ermittelt werden. Eine weitere Entwicklung dieses Verfahrens ermöglichen es mehrere Zwischenschritte durch eine erhöhte Abtastrate des reflektierten Signals abzubilden. Diese Methoden sind zwischen den Messungen blind für Reflexionen.

Abbildung 24: Funktion des First Last Pulse Systemes, Quelle: Eigene Darstellung

2.2

Airborne Laserscanning

VERFAHREN

»Multiple Pulses in the Air-Systeme«[Rot08] nutzen die erhöhte Pulsrate aus und senden einen neuen Laserpuls aus, bevor das reflektierte Signal des vorherigen Laserpulses empfangen wird. Auch sie sind in einem Bereich von ca. 3m aufgrund der Totzeit des Empfängers praktisch blind. Abhilfe hierbei schafft nur die Aufzeichnung des gesamten Signalverlaufs durch die Full Waveform Digitalization. (Vgl: [Wag12] und [Rot08])

2.2.4

Full Waveform Digitalization

Die Full Waveform

Neben der im vorherigen Abschnitt erläuterten Pulsratensteigerung gibt es

Digitalization

die Möglichkeit der vollständigen Aufzeichnung des reflektierten Laserimpul-

ermöglicht die

ses. Das als Funktion der Aufnahmezeit aufgetragene Signal wird Waveform

komplette Aufzeichnung

genannt. Diese seit 2004 kommerziell genutzte Full Waveform Technologie er-

der Reflexion eines

möglicht eine Analyse der im Empfänger ankommenden Signalform. Der Emp-

Laserstrahls.

fänger registriert das gesamte reflektierte Signal(Abb.25). Die im ankommenden Signal digitalisierte Empfangsenergie ist ein Maß für die Höhen Verteilung der gescannten Oberfläche Dieses Verfahren wird in den letzten Jahren häufig für die Waldinventur verwendet, um Baumbestände auf Baumparameter (z.B. Baumalter, -art, -höhe, -krone) zu analysieren. Durch einen dichten Scan eines Waldstückes lassen sich durch diese Technik Rückschlüsse über die gesamte räumliche Verteilung und Charakterisierung der Waldstruktur unter einer geschlossenen Waldoberfläche ziehen. Es gibt zwei Ansätze bei der Auswertung dieser Waveform Signale. Bei dem ersten Ansatz werden die Rohdaten entweder als einzelne Waveforms oder als summierte Waveforms einer festen Umgebung(z.B. eines Baumes), verwendet. Da die Waveforms eine Funktion von Baumparametern sind, können diese gemessenen Waveforms mit theoretischen Modellen von Bäumen verglichen werden. Dies ist sehr interessant für die Forstinventur. Ein zweiter Ansatz zur Auswertung der Waveforms ist interessant für die Modellierung von Landschaftsoberflächen und Waldstücken. Sie funktioniert mit Hilfe der Zerlegung der Waveforms in die einzelnen Reflexionsanteile. Es entstehen dabei diskrete Werte, die als 3D Punkte wiedergegeben werden können(Abb.26). Neben den 3D Positionen der einzelnen Reflexionen im vertikalen Bereich, erhält man auch die Pulsenergie und die Pulsbreite des empfangenen Impulses als zusätzliche Attribute. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt in einer erhöhten räumlichen Punktdichte, einer verbesserten Entfernungsgenauigkeit und den zusätzlichen Punktinformationen. Anhand dieser erhöhten Punktdichte kann bei einer späteren Visualisierung der Umgebung ersichtlich werden, was für ein Objekt bzw. welche Art von Baum an dieser Stelle steht(Abb.27). Dadurch können bei einer Modellierung der Umgebung, z.b. für einen virtuellen Flug über ein real existierendes Waldgebiet, die richtigen Baumarten anhand der Punktwolken erstellt werden. (Vgl. [Rei09]) 22

VERFAHREN

Abbildung 25: Full Waveformerfassung von Bäumen, Quelle: Eigene Darstellung

2.3

Abbildung 26: Waveformzerlegung in diskrete Werte, Quelle: Eigene Darstellung

Vor und Nachteile

Abbildung 27: Die erfasste Punktwolke des gescannten Baumes, Quelle: Eigene Darstellung

Die Waveformzerlegung hat mehrere Vorteile für die 3D Erfassung von Waldstücken. »Es können Reflexionen mit einem Abstand von 40 cm noch aufgelöst werden, die Genauigkeit der Höhenbestimmung beträgt ca. 2 cm (=1/7 der Auflösung von 15 cm), im Vergleich zum konventionellen First/Last Pulse Verfahren stehen 2-3 mal mehr 3D-Punkte im Vegetationsbereich zur Verfügung, durch die hohe Punktdichte können Mikrostrukturen von Bäumen (z.B. Baumstamm, Baumäste) erfasst werden und dominierte Bäume, d.h. Bäume in der Unterschicht, können mit erfasst werden.«[Rei09]

2.3

Vor und Nachteile

Experte Johannes Rechenbach über die Vor-und Nachteile eines Laserscanners gegenüber herkömmlichen Methoden zur Vermessung: »Wenn ich beispielsweise ein Hotelgebäude mit vielen kleinen Zimmern habe und der Kunde möchte den Grundriss dieses Gebäudes für ein CAD Programm haben, ist es schneller und wirtschaftlicher den Grundriss mit einem Einzelpunkt- Messverfahren aufzunehmen. Mit einem Tachymeter oder einem Laser- Abstandsmesser können in diesem Fall schnell die Abstände der Räume aufgenommen werden. Sollen jedoch detaillierte Informationen wie die Positionen von Lichtschaltern und Steckdosen aufgenommen werden, hat der Laserscanner seine Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren. Hier ist die Aufnahmegeschwindigkeit einfach wesentlich höher. Ein Problem bei der Messung können auch spezielle Materialien mit sich bringen. Hochpolierte Edelstahlrohre sowie 23

2.3

Vor und Nachteile

VERFAHREN

Glas und Wasser können teilweise nicht von einem Laserscanner aufgenommen werden, da die Strahlen nicht zum Scanner zurückreflektiert werden. Dadurch erhält man dann ein unzuverlässiges Messergebnis. Auch sehr dunkle Oberflächen Absorbieren das Licht und können Probleme mit sich bringen. Aber da gibt es auch Unterschiede in der Aufnahme bei den verschieden Scannern. Bei besonders hohen Gebäuden wie zum Beispiel einer Kirche muss man auch abwägen wie man diese einscannt. Hier bietet sich für den Kirchturm eher eine Drohne, also das Airborne Scanning an. Ein Terrestrischer Scanner würde keine genauen und ausreichenden Messergebnisse eines Turms erstellen. Er braucht eine gute Übersicht der Umgebung. Für den unteren Teil der Kirche wäre die Übersicht da wieder vorhanden.« Vorteile Allgemein Laserscan Technik ist

Die Messung zu beliebigen Punkten an fast jeder Art von Objektoberflächen

ein berührungsloses

erfolgt reflektorlos, d.h. das Messobjekt muss nicht mit Messmarken markiert

Verfahren zur

werden oder für die Vermessung präpariert werden. Somit können auch Anla-

Vermessung von

gen im laufenden Betrieb oder gefährliche Bereiche problemlos gescannt wer-

Objekten.

den. Um mehrere Scans miteinander zu verbinden können Messmarken verwendet werden. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit dies ohne Messmarken zu tun(siehe Abschnitt 2.1.6 auf Seite 13). Der Standpunkt für die Messung kann im Rahmen der Reichweite frei gewählt werden. Aktuelle Systeme haben einen sehr großen Messbereich und eine Reichweite zwischen 0,6 Metern nah und bis zu mehreren Kilometern entfernt. Dadurch ist es möglich auch schwer oder gar nicht zugängliche Bereiche innerhalb dieser Distanz erfassbar zu machen. Die Messrate eines Laserscans liegt je nach Gerät bei über einer Million Punkte pro Sekunde. Dadurch ist es möglich hochkomplexe Objektgeometrien oder umfangreiche Szenerien innerhalb weniger Minuten sehr detailreich zu erfassen. In der Film- und Fernsehproduktion können Szenen mit Menschenbeteiligung aufgenommen werden. Für Schauspieler oder Stuntman ist es ohne Probleme möglich für diese kurze Zeit schwierige Positionen zu halten. Laserscanner sind unabhängig vom Tageslicht, da sie ein gleichbleibendes helles Laserlicht zum Messobjekt ausstrahlen und das reflektierte, vom Laserscanner wieder empfangene Licht zur Vermessung nutzen. Somit können Laserscanner sogar bei absoluter Dunkelheit ein Objekt oder eine Umgebung scannen. Dies ist ein enormer Vorteil im Vergleich zur Photogrametrie.

VERFAHREN

2.3

Vor und Nachteile

Als Ergebnis eines Laserscans erhält man eine 3D Punktwolke des Objektes im Maßstab 1:1. Jeder Punkt hat seine eigenen Koordinaten im Raum. Entfernungen bestimmter Punkte zueinander können dadurch sofort berechnet werden. Die Distanzgenauigkeit jedes Punktes liegt bei bis zu 2mm. In Kombination mit hochauflösenden Bildern können fotorealistische Darstellungen der Objekte erstellt werden. (Vgl: [Ker07]) Nachteile Allgemein Ein Problem bei der Punktmessung ist das Entfernungsrauschen und die Pro-

Bestimmte Oberflächen

blematik mit Glas, Wasser und stark reflektierenden Oberflächen. Eine Erklä-

können von einem

rung der Problematik durch Experte Johannes Rechenbach:

Laserscaner nur schwer

»Das Rauschen hängt einmal zusammen mit der Entfernung, weil natürlich je weiter die Messstrecke ist, desto weniger Reflexion kommt teilweise beim Scanner an, [...] Es ist natürlich auch die Punkt zu Punkt Entfernung entsprechend größer, weil die Strahlen natürlich nach dem Strahlengesetz auseinandergehen. Insofern hat man in nahen Messdistanzen eine höhere Abbildungsqualität mit weniger Rauschen. Das Rauschen hängt aber auch zusammen mit der Oberflächenbeschaffenheit der Materialien. So sind eben stark spiegelnde Oberflächen wie Glas, Spiegel, Chrom oder Edelstahl sehr schwierig, weil die den Laserstrahl nicht direkt reflektieren sondern teilweise wild durch die Gegend schießen, aber auch schwarze Oberflächen, dunkle Metalle wie Kupfer oder Ähnliches sind auch schwer einzufangen. Da kommt es aber auch immer auf den Winkel an der dort zwischen Scanner und Oberfläche beschrieben ist. Wenn ich einen sehr stumpfen Winkel habe ist die Messqualität schlechter, als wenn ich senkrecht auf eine Fläche messe und dort entsprechend bessere Reflexionen erzeugen kann.« Um Glas oder stark reflektierende Flächen scannen zu können, reicht schon etwas Staub oder Pulver aus, um diese Fläche wieder sichtbar zu machen. Des Weiteren sind Wetterbedingungen wie Nebel, Schneefall oder Regen für das Scanergebnis nicht zuträglich, da auch hier der Laserstrahl entweder abgelenkt wird, oder falsche Punkte aufnimmt. Der Scanner misst Punkte ohne Intelligenz in einem vorgegebenen Winkelraster. Dadurch können keine diskreten Punkte direkt angezielt werden. An uninteressanten Stellen wie flachen Wänden sind genauso viele gemessene Punkte wie an interessanten Stellen wie z.B. Objekt Kanten, dadurch kann es dort zu einem Problem kommen. Kanten können durch zu wenige Punkte beschrieben werden. Diese Kanten können dann nicht exakt reproduziert werden.

oder gar nicht aufgenommen werden.

2.3

Vor und Nachteile

VERFAHREN

Da die Strahlen auseinandergehen haben nahe Objekte eine hohe Punktdichte, ferne Objekte haben dagegen eine geringe Punktdichte. Dadurch können ferne Objekte die eine hohe Detaildichte haben nur unzureichend aufgenommen werden. Ein Laserscan und die Scan-Orte sollten daher im Vorhinein gut geplant werden. Durch die Messung im vorgegebenen Raster werden viele teilweise überflüssige Punkte eingescannt. Dadurch werden sehr große Datenmengen erzeugt. Die Verarbeitung dieser großen Datenmengen wird erschwert. In den meisten Fällen muss die erzeugte Punktwolke verkleinert und ausgedünnt werden, um eine Arbeit damit zu ermöglichen. Vorteile und Nachteile Terrestrischer Laserscanner Die Benutzung eines terrestrischen Laserscanner ist einfach und schnell zu erlernen. Das Gerät ist handlich und kann von einer Person alleine bedient werden. Aufgrund der hohen Aufnahmegeschwindigkeit, können ganze Gebäude innerhalb eines Tages aufgenommen werden. Für die Aufnahmeumgebung sind keine Absperrungen nötig. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass Fremdkörper wie Passanten möglichst vermieden werden da diese relevante Objekte verdecken könnten. Diese Fremdkörper können zwar nachträglich entfernt werden, die bringt jedoch einen Mehraufwand mit sich. Vorteile und Nachteile von Airborne Laserscanner Die Airborne Technik hat den Vorteil, das große Umgebungen im Vergleich zu Stereo-Photogrammetry und Airborne SAR (Synthetic Aperture Radar) Interferometry einfacher und schneller aufgenommen werden können. Die Systeme sind in der Anschaffung teuer. Diese hohen Kosten steht die enorme Zeitersparnis durch die schnelle Aufnahme von großen Geländeabschnitten, gegenüber. Je größer die aufzunehmende Umgebung ist, desto höher ist die Zeit- und Kostenersparnis, im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Durch die Divergenz des Laserstrahl auf große Entfernungen können kleine Details am Boden nicht erfasst werden, da die Punktgröße des Strahls auf dem Boden einen Durchmesser zwischen 20 Zentimeter und bis zu 25 Meter erreichen kann.

DATENAUSWERTUNG

Datenauswertung

3.1

Beschreibung Punktwolken und Dateiformate

Die Rohdaten, die durch einen Laserscanner erzeugt werden, sind Messwert-

Punktwolken sind eine

tripel. Sie bestehen aus einer gemessenen Schrägdistanz sowie je einem Wert

große Anzahl an

für die horizontale und die vertikale Ablenkung. Diese erfassten Polarkoor-

gemessenen Punkten,

dinaten werden anschließend in kartesische Koordinaten umgewandelt. Diese

abgebildet in einem

Punktwolken können dann im dreidimensionalen kartesischen Koordinatensy-

drei-dimensionalen

stem von 3D Programmen wiedergegeben werden. In dieser Punktwolke wird

Raum.

ein Punkt durch seine x, y und z Koordinate beschrieben. Eine Punktwolke besteht aus mehreren Millionen Punkten.

Abbildung 28: Punktwolke eines Autos in Autodesk ReCap, Quelle: Eigene Darstellung für[btf15]

Die Datenformate die durch die Scanner erstellt werden sind unterschiedlich. Die Scanner haben meist ihre eigenen Datenformate. Diese Daten können dann von den herstellerspezifischen Programmen(bsp. Faro Scene oder Leica Cyclone) geöffnet werden. Weitere herstellerunabhängige Datenformate sind das xyz Datenformat, E57 und las. Zur Weiterverarbeitung der Daten können aus den Rohdaten beispielsweise PTS, PTX, PRT und CSV Dateien erzeugt werden. Diese Datenformate können von Programmen wie beispielsweise Meshlab, Autodesk 3DSMax oder Thinkbox Krakatoa für Autodesk Maya, zur Weiterverarbeitung gelesen werden. Zum Import von Punktwolken in CAD-Software werden folgende Dateiformate vorwiegend genutzt: IGES, STEP, DXF, IV, STL, STL-A(ASCII), STLB(Binär), WRL, RCP und RCS[Die15].

3.2

Verarbeitung der Punktwolken

DATENAUSWERTUNG

Verarbeitung der Punktwolken

Ein Laserscanner

Für den Bereich der Architektur gibt es einige etablierte Wege mit diesen

liefert nur die Daten,

Punktwolken umzugehen. Im Bereich der Medien gibt es eher individuelle We-

jedoch nicht den

ge, um die Bearbeitung der Daten zu bewerkstelligen. Da jedes Projekt ver-

passenden Workflow

schieden ist, ist es immer abhängig von den Anforderungen an ein Projekt. Je

zur Verarbeitung dieser

mehr Punkte aufgenommen wurden, desto größer werden die Anforderungen

Daten.

an die Software. Der Workflow kann grob in zwei Phasen unterteilt werden, die Aufarbeitung der Eingangsdaten und die Weiterverarbeitung der Daten bis zum Endprodukt. Der erste Schritt bei der Aufbereitung ist in den meisten Projekten derselbe. Die Daten müssen nach der Aufnahme auf einen Rechner importiert werden. Für manche Zwecke reicht es, dass diese Punktwolken nur mit Fotos eingefärbt und angezeigt werden, um sich dann in den Szenen zu bewegen und beispielsweise im Filmbereich eine Kamerafahrt zu planen. Für diese Zwecke liefern die meisten Scannerhersteller ihre eigene Software mit(bsp. Faro Scene oder Leica Cyclone). Es gibt auf dem Markt jedoch auch scannerunabhängige Pointcloud Viewer die speziell darauf ausgelegt sind, möglichst schnell und effizient große Mengen an Punkten anzuzeigen und sie bestenfalls in Echtzeit zu verarbeiten(bsp. Euclidion[Euc15]). Werden von einer Umgebung mehrere Scans gemacht, müssen diese in der Firmensoftware registriert werden(siehe Abschnitt 2.1.6 auf Seite 13). Anschließend kann die Punktwolke noch weiter bearbeitet werden. Beispielsweise können unnötige Punkte von Hand entfernt werden (Bsp. mit der Software Autodesk ReCap), um die Datenmenge gering zu halten und eine höhere Performance zu gewährleisten. Des Weiteren können in der Punktwolke mit Hilfe von klassischen Filterungsverfahren Ausreißer eliminiert und die Punktwolke reduziert werden. Dies ist zum Beispiel mit den kostenlosen Software Paketen CloudCompare oder MeshLab möglich(siehe nächsten Abschnitt). Durch das Entfernen wird unter anderem die Performance für spätere Schritte erhöht. Moderne Grafikkarten bringen zwar genug Leistung mit, um große Punktwolken anzuzeigen. Ein Performanceproblem tritt jedoch häufig bei der Software auf, da es bei der Verarbeitung der Menge an Punkten zu Problemen kommen kann. Anschließend wird die Wolke zum Endprodukt, beispielsweise ein 3D Mesh10 , weiterverarbeitet. Bei der Weiterverarbeitung kommt es stark darauf an was mit der Wolke weiter passieren soll. Im Beispiel des Musikvideos der Band Sizarr(siehe Abschnitt 4.1.2 auf Seite 33), wurde die Punktwolke als sol10

Mit Mesh bezeichnet man in der Computergrafik ein Polygonnetz zur geometrischen Beschreibung von Oberflächen. Ein Polygon besteht entweder aus vier, miteinander verbundenen, Ecken(Vertices) und wird Quad genannt, oder aus drei miteinander verbundenen, Ecken(Vertices) und wird Triangle genannt.

DATENAUSWERTUNG

3.3

Von der Punktwolke zum 3D Modell

ches benutzt und visualisiert. Hierbei muss die Punktwolke nur noch in eine 3D Software wie beispielsweise Autodesk Maya oder Autodesk 3DSMax geladen werden. Autodesk 3DSMax kann das einlesen einer Punktwolke nativ, wo hingegen Autodesk Maya ein Plugin wie Thinkbox Krakatoa benötigt, um mit Punktwolken arbeiten zu können. VFX und die Spieleentwicklung haben unterschiedliche Anforderungen an die Weiterverarbeitung zu einem 3D Mesh. Für die Herangehensweise im Bereich Film und Vfx siehe Abschnitt 4.1.1 auf Seite 31. Für den Bereich Spieleentwicklung und Realtime11 siehe Abschnitt 4.2.1 auf Seite 40.

3.3

Von der Punktwolke zum 3D Modell

In dieser Arbeit wird die Erstellung eines 3D Polygon Meshes aus einer Punkt-

Zur Verarbeitung von

wolke exemplarisch am Beispiel von MeshLab gezeigt. MeshLab ist ein Open

Punktwolken und der

Source Projekt der Abteilung Computer Science der Univeristät Pisa zur Er-

anschließenden

stellung von 3D Meshes aus Punktwolken. Die Software basiert auf der VCG

Erstellung eines 3D

Bibliothek des Visual Computing Lab IST-CNR und ist für alle gängigen Platt-

Meshes gibt es

formen erhältlich.[Mes15]

verschiedene Software, beispielsweise

MeshLab kann Punktwolken in verschiedenen Dateiformaten einlesen. Dazu ge-

Geomagic oder

hören die erwähnten Dateiformate PTX, PTS und XYZ (siehe Abschnitt 3.1

MeshLab.

auf Seite 27). Nach dem Einlesen der Punktwolke wird die Anzahl der Punkte reduziert. Die eingescannten Wolken bestehen in den meisten Fällen aus mehreren Millionen oder mehr Punkten. Würde eine Punktwolke nicht reduziert werden, kann es in den nachfolgenden Schritten zu Performance Problemen kommen. Die Punkte müssen an den geometrischen Stellen entfernt werden, die durch sehr viele Punkte beschrieben sind. An Stellen wo wenig Punkte sind, dürfen keine Punkte entfernt werden, damit die Topologie bestehen bleibt. Dieses Entfernen der Punkte ist durch das Poisson-disk Sampling möglich. Hierbei werden nur dort Punkte entfernt, wo eine hohe Punktdichte ist. Der Algorithmus legt um einzelne Punkte einen Radius. Alle Punkte die innerhalb dieses Radius liegen werden gelöscht. Sind innerhalb des Radius keine weiteren Punkte, ist an dieser Stelle eine niedrige Punktdichte. Durch diesen Vorgang wird die Punktwolke an dichten Stellen ausgedünnt und man erhält eine gleichmäßigere Punktwolke.(Abb.29 und Abb.30) Für die Berechnung eines Meshes werden die Normalen der Punkte benötigt. Wenn die importierte Punktwolke keine bzw. falsche Normalen hat, werden die Normalen für jeden Punkt anhand der umliegenden Nachbarpunkte von MeshLab berechnet.

Realtime Fähigkeit bedeutet, dass ein 3D generiertes Bild innerhalb einer vorgebenden Zeitspanne berechnet werden muss(Bsp. 20ms bei einem 50HZ Monitor). Um dies zu ermöglichen muss die Anzahl der zu berechnenden Polygone der sichtbaren Objekte so niedrig wie möglich gehalten werden

3.3

Von der Punktwolke zum 3D Modell

Abbildung 29: Punktwolke mit unregelmäßiger Dichte, Quelle: Eigene Darstellung für[btf15]

DATENAUSWERTUNG

Abbildung 30: Gleichmäßigere Punktwolke nach Poisson-disk Sampling, Quelle: Eigene Darstellung[btf15]

Im nächsten Schritt wird aus der Punktwolke ein Polygon Mesh berechnet. Mithilfe der Normalen der Punkte wird mit der Poisson Surface Reconstruction das Polygon Mesh der Punktwolke berechnet. Hierbei wird eine Selektion der Punkte getroffen, die dass Mesh beschreiben sollen. Diese Punkte werden miteinander verbunden. Dadurch bekommt die Punktwolke ein 3D Gittermodell und anschließend, durch das Erstellen von Polygonen aus dem Gittermodell, eine Oberfläche. In dem Falle, dass das erstellte Objekt aus zu vielen Polygonen besteht, kann deren Anzahl anschließend reduziert werden. Dieser Vorgang wird retopologize genannt. MeshLab bietet hierfür eine Auswahl an verschiedenen Algorithmen zur Vereinfachung eines Meshes an. Durch diese Reduktion können beispielsweise Low-Resolution-Meshes aus High-Resolution Objekten erstellt werden, die dann beispielsweise Realtime fähig sind und im Spieleentwicklungsbereich angewandt werden können. Anschließend kann das Objekt beispielsweise als Waveform obj, PLY oder 3DS Datei exportiert werden. (Vgl.: [Pom15])

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

Anwendung Medienbereich

4.1

Film und Fernsehproduktion

Das Laserscanning wird als Technik im Bereich der Film und Fernsehproduk-

Laserscanning wird im

tion immer öfter eingesetzt. Auf dem Markt gibt es einige Firmen die 3D La-

Bereich Medien häufig

serscans speziell für den Medienbereich anbieten. Bekannte große Firmen sind

LIDAR genannt.

Industrial Pixel und Lidar Vfx in Nordamerika, WYSIWYG 3D in Australien und Rise FX in Deutschland. Das Einsatzgebiet für Laserscanning erstreckt sich von der Planung eines Drehs bis hin zur Post Production. Bekannte Filme, die unter anderem mit Hilfe der Laserscan Technologie realisiert wurden, sind: X-Men 3, Marvell´s The Avengers, The Dark Knight, Die Chroniken von Narnia, Bad Boys 2, The Day after Tomorrow und Lucy. 4.1.1

Anwendungsgebiete

Die hauptsächlichen Bereiche in denen Laserscans in der Film und Fernseh-

Im Bereich des VFX

produktion verwendet werden, sind die Planung von Sets und Dreharbeiten,

gibt es mehrere

die Bereitstellung von Objekten als Set Extensions für den VFX Bereich und

Anwendungen. Die

die Unterstützung des Kameratrackings.

Planung einer Szene, das Bereitstellen von

Im Bereich der Planung von Filmen wird diese Technik beim Scouting12 be-

Set Extensions und das

nutzt. Die potentiellen Drehorte werden während eines Scouting durch einen

Kameratracking.

Laserscanner aufgenommen. Da solch ein Scouting meistens zeitlich begrenzt ist und die Besichtigung an vielen Orten bezahlt werden muss, kann des Öfteren vor Ort keine genaue Planung stattfinden. Ein Scan des Ortes ist mit keinem großen Aufwand verbunden und nimmt nicht viel Zeit in Anspruch. Im Anschluss an das Scannen des Ortes können die Produzenten und Kameraleute sich die Szenerie im Büro in aller Ruhe ohne Zeitdruck erneut anschauen. Der Vorteil im Vergleich zu Fotos ist, dass das gesamte Set aus allen erdenklichen Positionen begehbar ist, selbst potentielle Kraneinstellungen können angeschaut werden. In Kombination mit den aufgenommenen Fotos entsteht ein 1:1 Abbild der echten Umgebung. Anhand dieser vollständigen 3D Szenen können Kameraeinstellungen und Brennweiten sowie Laufwege der Darsteller und Kameras im vorhinein geplant, ausprobiert und festgelegt werden. Dazu lassen sich Previsualisierungen/Animatiks/Storyboards basierend auf der echten Location im korrekten Maßstab erstellen. In erster Linie sind gescannte Setumgebungen für 3D Artists eine Hilfestellung. Sie helfen ihnen dabei sich in der Szene besser zu orientieren und ihre Arbeit im korrekten Abstand zur Kamera und im richtigen Maßstab zu erledigen. Für diese Anforderungen würde es reichen die Sets als farbige Punktwolken darzustellen. Es besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit diese Punktwolken zu einem 3D Mesh umzuwandeln. 12 Scouting bezeichnet die Evaluierung und Besichtigung eines potentiellen Drehortes für die Film- und Fernsehproduktion.

4.1

Film und Fernsehproduktion

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

So können beispielsweise eingescannte Darsteller, Fantasyfiguren, Autos und Gebäude als 3D Modell bereitgestellt werden. Selbst ganze Sets können als digitales Enviroment zur Verfügung gestellt werden. Diese Sets können dann für verschiedene Zwecke benutzt werden. Sie können wie im Beispiel des Filmes Lucy(siehe Abschnitt 4.1.3 auf Seite 37) als Collision Enviroment oder als Reflection and Lighting Enviroment benutzt werden. Des Weiteren kann die Umgebung als Set Extension oder als komplette virtuelle Umgebung bei einem Greenscreen Dreh verwendet werden. Dies ist vor allem dann von Vorteil wenn es sich um Sets handelt, wo ein Dreh vor Ort mit hohen Mietkosten verbunden ist(Bsp. der Timesquare in New York oder das Brandenburger Tor). Es ist dadurch auch möglich örtlich entfernte Sets, wo ein Dreh vor Ort mit zu hohen Kosten verbunden wäre, kostengünstig bereitzustellen. Im VFX Bereich werden für die Visualisierung von Objekten immer High-Resolution Meshes verwendet. Eine Realtime-Fähigkeit wie bei der Spieleentwicklung spielt hier keine Rolle. Ein hochauflösender fotorealistischer Look ist jedoch enorm wichtig. Weitere Bearbeitungen der Szenen werden meistens durch proprietäre Software erledigt. Dazu gehört das Ausrichten und Projizieren von aufgenommenen HDR Images auf das Mesh und das Konvertieren der Scans in verschiedene Auflösungsstufen. Die Meshes und Punktwolken werden dann für die weiteren Departments verfügbar gemacht. Dafür werden die Scans und Meshes in verschiedene Container-Formate konvertiert, wie z.b. Alembic oder Waverfront OBJ. Es ist auch gängig, dass diese Punktwolken online verfügbar gemacht werden, zum Beispiel durch die Software WebShare von Faro. Dadurch ist der Austausch der Szenen einfacher ohne diese in einem 3D Paket exportieren und importieren zu müssen. (Vgl.: [Hat14]) Die 3D Modelle und

Eine interessante Technik zur Erzeugung einer Set Extension wurde bei dem

Set Extensions sind im

Film Die Chroniken von Narnia: Die Reise auf der Morgenröte angewandt.

Maßstab 1:1 zu dem

Hierbei wurde von dem Schiff Morgenröte ein 1:33.3 Modell in Plastik er-

Original.

stellt(Abb.31). Dieses Modell wurde mit einem Laserscanner eingescannt und als 3D Modell bereitgestellt. Dieses 3D Modell des Schiffes wurde für die verschiedenen Szenen aufbereitet und Veränderungen am Schiff im Laufe des Films wurden ergänzt. Anschließend konnte dieses Schiff für verschiedene VFX Shots verwendet werden(Abb.32). Auch bei einige Fantasyfiguren des Filmes wurde diese Technik angewandt. Diese Figuren wurden dann virtuell zum Leben erweckt[Dmw10].

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

4.1

Film und Fernsehproduktion

Abbildung 31: Modell des Schiffes Morgenrö- Abbildung 32: Anwendung des Schiffes im Film, Quelle: [wik15] te, Quelle: [Dmw10]

Das Scannen der Sets macht das Kamera Tracking um einiges einfacher und genauer. Es hilft dem Artist seine Arbeiten in der richtigen Skalierung und Distanz zu erledigen. Dazu VFX Supervisor und fxphd Prof. Victor Wolansky(Alexandria, Virginia, USA): »Use of LIDAR scans are very helpful to solve very weird motions, since you have the exact XYZ coordinates for each tracking point you are using, camera positions can be solved, even without much or almost null parallax. LIDAR becomes extremely useful when you have very large sets, as a full size CGI set can be built based on that, then, if you have multiple shots, each shot and each camera will be perfectly aligned against each other and the CGI model. The survey information can also be used to align regular auto tracked shots.«[Sey12] 4.1.2

Beispiel Musikvideo Baggage Man

Baggage Man ist ein Song der Elektro Post Punk Band Sizarr aus Landau,

Das Musikvideo

Deutschland. Im Jahr 2015 ist das Album Nurture dieser Band erscheinen. Zu

Baggage Man ist ein

der dritten Singleauskopplung Baggage Man wurde ein Musikvideo präsentiert.

Beispiel für die

Für die Produktion dieses Musikvideos wandte sich die Band im September

künstlerische

2014 an die bildundtonfabrik, kurz btf. Die btf GmbH ist ein senderunabhängi-

Anwendung der

ges Film- und Fernsehproduktionsunternehmen in Köln. Das Musikvideo Bag-

Laserscan Technologie.

gage Man bekam ein mit Hilfe von Laserscans realisiertes sehr innovatives animiertes Musikvideo13 . Die Idee zu diesem Musikvideo war, verschiedene Szenen mit einem Laserscanner aufzunehmen. In den so entstandenen Punktwolkenumgebungen sollten dann Kamerafahrten erstellt werden, um damit eine Coming of age Story zu erzählen. Die Laserscans für dieses Musikvideo wurden für die btf von dem Laserscan Experten Dipl. Ing. Johannes Rechenbach aus Hannover durchgeführt.

Link zu dem Musikvideo zu Baggage Man: https://vimeo.com/124451909

4.1

Film und Fernsehproduktion

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

Experte Johannes Rechenbach über die Arbeit an diesem Projekt: »Es war ein sehr spannendes Projekt, weil die bildundtonfabrik auf mich zukam um nachzufragen, ob denn diese Laserscan Daten sich auch eignen würden solch ein innovatives Musikvideo zu erzeugen, was bisher noch sehr unkonventionell ist, besonders wenn man in der reinen Punktwolke bleibt, um diese halt als visuelles Endprodukt zu verwenden. Ich fand das Projekt sehr spannend, weil es da mal nicht um Zentimeter geht und irgendwelche Geometrieauswertungen sondern wirklich der visuelle Effekt im Vordergrund stand. Ich fand auch spannend, dass das eben von einer Filmproduktionsfirma angefragt wurde, die sich sonst eher mit konventionellen Drehs beschäftigt [...] Es war insofern anders, da natürlich Menschen und Schauspieler gewohnt sind sich zu bewegen und für die Scandauer von ca. 3 Min. pro Einzelscan mussten die Schauspieler in einer Art Schockstarre verbleiben, da sonst die Auswertungen verwaschen geworden wären und eine unklare Optik erzeugt hätten.« In der Vorarbeit für dieses Musikvideo wurden acht Locations, passend zur erzählten Geschichte, gesucht. Diese Locations wurden dann zusammen mit Herrn Rechenbach an zwei Tagen eingescannt. Vor Ort wurde überlegt wie die Sets in Szene gesetzt werden können. Anschließend wurden die Darsteller positioniert und ein Scan der Szenerie wurde durchgeführt(Abb.33). Herr Rechenbach benutzte dafür zwei Scanner, einen 5 Jahre alten Faro Focus 3D 120 und einen neuen Faro Focus3D X 130 [Far15]. Während des Scanvorgangs durften sich die Darsteller nicht bewegen. Ein Scan dauerte 2-3 Minuten, für die Darsteller war es somit keine allzu große Herausforderung. Für die spätere Registrierung(siehe Abschnitt 2.1.6 auf Seite 13) der verschiedenen Laserscanns einer Location wurden Passmarken in Kugelform verwendet.

Abbildung 33: Laserscan Szene für das Sizarr Musikvideo, Quelle: [btf15]

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

4.1

Film und Fernsehproduktion

Nachdem alle Scans erstellt waren, mussten die Rohdaten bearbeitet werden. Herr Rechenbach hat die Scans jeder Location mit Hilfe der Software Faro Scene registriert. Die dadurch entstandenen Punktwolken jeder Location wurden der btf als Projektdatei übergeben. Diese Dateien wurden von den Mitarbeitern der btf weiter aufbereitet. Ziel war es, die Kamerafahrten und die Beleuchtung der Punktwolken in Autodesk Maya, im weiteren Verlauf Maya genannt, zu realisieren. Dafür mussten die Punktwolken verkleinert und Teile gelöscht werden, verschieden Szenen mussten freigestellt und zusammengefügt werden. Zusätzlich mussten die Punktwolken in das PRT Format überführt werden, um in das Programm Maya geladen werden zu können. Im ersten Schritt wurden die Scans mit dem Programm ReCap der Firma Autodesk bearbeitet. Dieses Programm wurde dafür benutzt, um Objekte in den Punktwolken freizustellen und nicht benötigte Teile der Punktwolke zu entfernen(Abb.34 und Abb.35). Das Entfernen von nicht relevanten Teilen war ein wichtiger Schritt. Zum einen mussten Artefakte wie die aufgestellten Passmarken entfernt werden, da sie im späteren Video stören würden. Auf der anderen Seite mussten Teile, die im späteren Video nicht sichtbar sind, entfernt werden um die Punktwolken performant zu halten. Zu große Punktwolken führten zu Performance Problemen in Maya.

Abbildung 34: Unbeschnittene Punktwolke in Abbildung 35: Beschnittene Punktwolke in Autodesk ReCap, Quelle: Eigene Darstellung Autodesk ReCap, Quelle: Eigene Darstellung für [btf15] für [btf15]

Im nächsten Schritt wurden die Dateien mit der Open Source Software CloudCompare geladen. Diese Software wurde benutzt, um die Punktwolken auszudünnen. Die Punktwolken hatten an einigen Stellen eine höhere Punktdichte als an anderen Stellen. Das lag zum einen daran, dass mehrere Scans zusammen und somit auch übereinander gelegt wurden. Zum anderen entstanden in den Punktwolken rund um die Positionen des Scanners konzentrische Kreise, da die Strahlen nach den Strahlengesetzen auseinandergehen(Abb.36). Dadurch entsteht bei kleinen Messdistanzen eine höhere Abbildungsdichte als bei großen Messdistanzen. In der Software CloudCompare wurde dafür eine Funktion benutzt die anhand der Dichte Punkte entfernt. Es wird ein Schwellwert angegeben, anhand dessen die Punkte in Regionen mit hoher Punktdichte entfernt werden. 35

4.1

Film und Fernsehproduktion

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

Abbildung 36: Sichtbare Konzentrische Kreise um die Scan Positionen in CloudCompare, Quelle: Eigene Darstellung für [btf15]

Regionen mit einer geringeren Dichte werden nicht verändert. Im Ergebnis erhält man eine Punktwolke mit einer gleichmäßigeren Dichte. Die Punkte bestanden farblich aus unterschiedlichen Grauwerten(siehe Abschnitt 2.1.5 auf Seite 11). Mit Hilfe von CloudCompare wurden alle Punkte farblich auf weiß gesetzt. Die Schattierung der Umgebung sollte durch die Beleuchtung in Autodesk Maya entstehen. CloudCompare ermöglichte den Export im Zielformat PRT. Um diese Punktwolke in Maya zu laden wurde das Plugin Thinkbox Krakatoa verwendet. Dieses Plugin verarbeitet Punktwolken für Maya. Die unterschiedlichen Szenen wurden in Maya aus verschiedenen Punktwolken zusammengesetzt(Abb.37). Innerhalb dieser Szenen wurden die geplanten Kamerafahrten ausprobiert und erstellt. Insgesamt wurden über 140 Kamerafahrten in den 8 Szenen erstellt. Jede davon wurde als Playblast14 in Maya gerendert und für den Schnitt verwendet. Aus den verschiedenen Playblasts wurde dann der finale Schnitt erstellt. Für die finale Version des Musikvideos wurden die ausgewählten Kamerafahrten anschließend mit einer Beleuchtung gerendert.

Abbildung 37: Szene mit Hilfe von Thinkbox Krakatoa in Maya geladen, Quelle: Eigene Darstellung für [btf15]

Ein Playblast ist eine schnelle Vorvisualisierung einer Animation.

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

4.1

Film und Fernsehproduktion

Das Besondere an diesem Musikvideo war die spezielle Optik und Atmosphäre der Punktwolken(Abb.38 und Abb.39). Dadurch konnten sehr abstrakte Kamerafahrten und außergewöhnliche Bilder erzeugt werden. In diesen abstrakten Kamerafahrten waren keine Objekte erkennbar, sondern nur willkürlich anmutende Ansammlungen von Punkten. Dazu konnten Kamerafahrten erstellt werden, die sich langsam von einer Punkte Ansammlung entfernen. So bekam eine willkürliche Punktansammlung eine Form und schließlich konnte das Objekt oder die Szene erfasst werden. Des Weiteren konnten Kameraflüge durch die Szenen gemacht werden, die eine völlig neue Wahrnehmung der Szenen ermöglichte.

Abbildung 38: Rendering der Punktwolke, Quelle: Matthias Gerding für [btf15]

4.1.3

Abbildung 39: Rendering der Punktwolke, Quelle: Matthias Gerding für [btf15]

Beispiel Spielfilm Lucy

Lucy ist ein Film von Luc Besson aus dem Jahre 2014. Scarlett Johansson

Der Film Lucy ist ein

spielt in diesem Film die Hauptfigur Lucy, die als Drogenkurier missbraucht

Beispiel für die

wird. Einer der Drogenbeutel platzt in ihrem Körper und durch die neue syn-

pragmatische

thetische Droge ist sie mit der Zeit fähig einen immer größeren Prozentsatz

Anwendung der

ihres Gehirnes zu benutzen. Da der normale Mensch nur fähig ist 10 Prozent

Laserscan Technologie.

seines Gehirnes zu benutzen, kann Lucy im Laufe des Filmes immer mehr übermenschliche Fähigkeiten entwickeln. Die 240 VFX Shots wurden von ILM und Rodeo FX umgesetzt. 73 von diesen Shots beschreiben eine Verfolgungsjagd durch die Pariser Innenstadt. Hierbei wurden in die echten Filmshots CG-Autos eingesetzt, die zum einen Crashes verursachen und zum anderen ein hohes Verkehrsaufkommen simulieren. Diese Shots wurden von Rodeo FX unter anderem mit Hilfe der Laserscan Technik umgesetzt. Die Scans für die Verfolgungsjagd wurden von 4DMax erstellt. 37

4.1

Film und Fernsehproduktion

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

Abbildung 40: Szene aus dem Film Lucy, Quelle: [luc14]

Die Scan Experten von 4DMax erfassten die Pariser Straßen vom Place de la Concorde bis zum Louvre innerhalb von 5 Tagen. Eine besondere Voraussetzung war, dass die kleinen Details der Straßenoberfläche originalgetreu abgebildet werden sollten. Im Vorhinein fand eine exakte Planung der Scans statt, um die erforderlichen Daten von verschiedenen Postionen aufnehmen zu können. Durch Vorabplanung und die offene Kommunikation mit dem VFX Vendor konnten die Orte in der schnellstmöglichen Zeit eingescannt werden. Die Orte wurden tagsüber oder abends, nachdem weniger Betrieb auf den Straßen war, gescannt. Die Scans wurden je nach Location mit ein bis zwei Scannern der Marke Leica ScanStation C10 durchgeführt. Diese Scanner können bis zu 50.000 Punkte pro Sekunde aufnehmen. Die Entfernungsmessung findet durch das Impulslaufzeitverfahren(siehe Abschnitt 2.1.2 auf Seite 9) statt. Der Scanner hat eine Reichweite von bis zu 300m. Bedient wurden die Scanner von 2-3 Personen, wobei jeweils eine Person den Scanner bediente und eine Person sich auf den Scanning-Prozess und die gewonnenen Daten konzentrierte. Das Backup der Daten fand nach einem ScanTag statt. Der Scanner besitzt die Möglichkeit die kompletten Scan Daten eines Tages zu speichern. Es musste somit keine zusätzliche Hardware zu den Orten mitgenommen werden. Im Anschluss wurden die Daten nachbearbeitet. Im Speziellen wurden hier die Scans der einzelnen Sets zusammengefügt, das Rauschen und überflüssige Punkte wurden entfernt. Der Zeitaufwand hierfür war ein Tag für jedes Set. Die Sets wurden vor der Übergabe an Rodeo FX mit Geomagic zu einem 3D Mesh umgewandelt und trianguliert. Allein der Scan der Rue de Rivoli, das größte gescannte Set dieser Produktion, umfasste 50 OBJ -Dateien mit circa 10 Millionen Triangles. Dazu wurden viele HighResolution-Texturen mit im Datenpaket übergeben. Zusätzlich zu den Texturen, wurden an den Drehtagen von jeder Location mehrere HDR-Images aufgenommen. Diese wurden benötigt um anschließend eine realistische Beleuchtung der Szene zu gewährleisten.

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

4.1

Film und Fernsehproduktion

Rodeo FX, unter dem VFX Supervisor François Dumoulin, benutzte die Laserscans vornehmlich für zwei Zwecke. Zum einen wurden die Scans der Straßen als Collision Enviroment zur Animations Simulation benutzt. Die Pariser Straßen bestehen aus Jahrhunderte altem sehr unebenen Kopfsteinpflaster. Durch den Laserscanner wurden diese Unebenheiten exakt aufgenommen. Rodeo FX konnte dadurch präzise das Verhalten der Federung ihrer CG-Autos simulieren. Die CG-Autos konnten über die Bodengeometrie fahren und es wurde eine realistische Federungsanimation erstellt, die dann als Set Extension im Film eingesetzt wurde.

Abbildung 41: Oben die Filmaufnahme, unten das Finale Compositing der Verfolgungsjagd im Film Lucy, Quelle: [Edp14]

Der Zweite Nutzen der Laserscans war das realistische Beleuchten der CGAutos. Hierfür wurden die Texturen und die aufgenommenen HDR Images auf die Geometrie des Laserscans rückprojiziert. In diese Umgebung wurden die virtuellen Fahrzeuge eingesetzt. Dadurch konnte auf den Fahrzeuge eine exakte Beleuchtung und Reflexion der Umgebung generiert werden. Da im Nachhinein die Autos näher an der Kamera platziert wurden als anfänglich geplant und sich sowohl die Kamera als auch die Autos mit hoher Geschwindigkeit durch das Set bewegten, war die Beleuchtung und die Reflexionen ein wichtiger Bestandteil, um den gewünschten hohen Realismus der Szenen zu erreichen. (Vgl.: [Fue14] [Edw14])

4.2

Spieleentwicklung

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

Vorteile einer solchen Produktion François Dumoulin, Visual Effects Supervisor bei Rodeo FX : »This show reminded us how useful on-set elements, references and data are. It was a real privilege to be on set for the scouting, prep and shoot of the car chase sequence, and to have time to take lots of reference picture and HDRIs. And those LIDAR scans were invaluable. It all came in incredibly useful when the time came to light our CG cars and integrate them seamlessly in the environment. I truly believe that what makes for a totally imperceptible comp is the quality and availability of the reference material. When you’re working on photoreal shots, you just can’t beat reality!«[Edw14]

4.2

Spieleentwicklung

Die Laserscan

Ob Gebäude, Fahrzeuge oder ganze Landstriche, die Laserscan Technologie

Technologie erlaubt es

hat die Fähigkeit eine große Anzahl von Szenen und Objekten in sehr schneller

jedes physikalische

Zeit originalgetreu zu reproduzieren. Aus diesen Scans werden anschließend 3D

Objekt einzuscannen

Modelle im gewünschten Detailgrad erstellt. Aus den erzeugten Punktwolken

und in einer virtuellen

werden hochauflösende Modelle für Videosequenzen erstellt. Für die Spielum-

Umgebung zur

gebung werden Realtime fähige Low-Resolution Meshes mit fotorealistischen

Verfügung zu stellen.

Texturen erzeugt. Dadurch können ganze Städte aber auch detailreiche Level in überzeugender Optik erzeugt werden. Durch den geringen Aufwand der mit einem Laserscanner betrieben wird um eine Umgebung aufzunehmen und den teilweise automatisierten Ablauf der 3D Modell Erstellung, können eine Menge Kosten und Zeit gespart werden. 4.2.1

Anwendungsgebiete und Technische Umsetzung

Im Bereich der

Die Anwendungsgebiete im Spieleentwicklungs Bereich beziehen sich haupt-

Realtimeanwendungen

sächlich auf die Optik und das Feeling eines Spieles. Eine realistische Optik

wird ein

kann nur dadurch erzeugt werden, dass reale Objekte verwendet werden. Durch

High-Resolution und

die Modellierung von Hand, ohne eine echte Referenz, gehen oft Details verlo-

ein Low-Resolution

ren. Die meisten Objekte in der Natur sind schwer virtuell darzustellen, da sie

Mesh benötigt. Im VFX

keinen Gesetzmäßigkeiten entsprechen. Wird ein Objekt oder eine Umgebung

Bereich werden für das

jedoch gescannt sind alle Details vorhanden. Im ersten Schritt werden aus den

Endprodukt nur

Punktwolken High-Resolution Meshes erzeugt. Je nach Anwendung kann dies

High-Resolution

automatisch mit spezialisierter Software wie z.b. MeshLab gemacht werden.

Meshes verwendet. Diese High-Resolution Meshes werden benutzt um Bump oder Normal Maps15 und Specular Maps16 zu erstellen. 15

Bump oder Normal Maps erhöhen den Detailgrad von Schattierungen, ohne die Polygonzahl zu erhöhen. 16 Specular Maps definieren die reflektiven Eigenschaften eines Objektes wie das auf sie fallende Licht reflektiert wird.

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

4.2

Spieleentwicklung

In nächsten Schritt wird aus dem High-Resolution Mesh(Abb.42) ein Realtime fähiges Low-Resolution Mesh(Abb.43) erzeugt. Das Low-Resolution Mesh wird im Spiel benutzt, um die Geometrie der Objekte abzubilden. Auf dieses LowResolution Mesh werden die vorher erstellten Maps gelegt(Abb.44). Zusammen mit einer fotorealistischen Textur, wird ein Objekt erzeugt, welches das Aussehen und die Eigenschaften eines High-Resolution Mesh hat. Es besteht jedoch nur aus wenigen Polygonen. Da die Erzeugung eines High-Resolution Modell von Hand sehr viel Zeit in Anspruch nimmt, kann durch die Verwendung von gescannten Objekten und den daraus erzeugten High-Resolution Meshes sehr viel Zeit gespart werden, speziell bei großen Umgebungen mit vielen Details.

Abbildung 42: HighResolution Mesh eines Generators, Quelle: Eigene Darstellung

Abbildung 43: Low Resolution Mesh eines Generators, Quelle: Eigene Darstellung

Abbildung 44: Low Resolution Mesh mit Normal Map, Quelle: Eigene Darstellung

Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Modelle exakt so aussehen wir ihr reales Pendant. Besonders bei bekannten Gebäuden ist es für das Spielgefühl sehr von Vorteil, wenn sie echt aussehen. Electronic Arts hat die Laserscann Technologie benutzt um verschiedene Szenerien für Ihre Spiele zu kreieren. Der Madison Square Garden wurde für das Spiel NBA Live eingescannt(Abb.45 und Abb.46). Auch verschiedene Golfkurse für Tiger Woods PGA Tour und Football Stadien für das Spiel NCAA Football wurden mit Hilfe von Laserscans erstellt. [Lid14]

Abbildung 45: Scann des Madison Square Garden, Quelle: [Ela14]

Abbildung 46: Fertiges Modell des Madison Square Garden, Quelle: [Ela14]

Die polnische Entwicklerfirma Farm 51 arbeitet an dem Action Shooter Get Even. Kernelement ist das Spiel mit der Realität. Dafür wurden Objekte und Gebäude eingescannt und im Spiel mit hochauflösenden Texturen versehen.

4.2

Spieleentwicklung

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

Zur Aufnahme der Umgebungen wurden terrestrische Laserscanner und Drohnen mit Airborne Laserscannern verwendet. Erste Trailer und Demos haben gezeigt, dass dadurch ein bisher noch nicht dagewesener Realismusgrad erreicht wird. Neben der direkten Erzeugung von 3D Modellen aus Punktwolken können diese Punktwolken auch als Referenz für die Erzeugung von 3D Modellen genutzt werden. Dies geschieht beispielsweise bei den Rennsimulationen Assetto Corsa und iRacing.com(siehe nächsten Abschnitt). Die Entwicklerfirmen hinter den Spielen haben viele Rennstrecken dieser Welt mit der Laserscan Technologie aufgenommen. Modelliert wurden diese Strecken anhand der erzeugten Punktwolke. Originalgetreue Rennstrecken und ein viel besseres Rennfeeling sind das Ergebnis. Durch die Airborne Technologie können große Bereiche und Landstriche eingescannt werden. Was im Falle des Spieles Get Even schon funktioniert hat, könnte auch für Flugsimulatoren interessant sein. Hierbei wäre es möglich Städte, Flughäfen oder Umgebungen als 3D Modelle abzubilden. Dadurch kann in Kombination mit Fotos oder Satellitenaufnahmen eine Realistische Umgebung erschafft werden. Der Detailgrad eines Airborne Laserscanners ist zwar nicht so hoch wie der eines terrestrischen Laserscanners, dies ist bei einem Flugsimulator aufgrund der größeren Entfernung zur Oberfläche jedoch kein ausschlaggebendes Kriterium.

4.2.2

Beispiel iRacing

Um eine Rennstrecke

Die Maße der Rennstrecken wurden früher anhand von Bauplänen und Mes-

in einem PC bzw.

sungen vor Ort von Hand aufgenommen. Zusätzlich wurden hunderte von Fo-

Konsolenspiel verfügbar

tos von den Rennstrecken und umliegenden Gegenständen und Gebäuden ge-

zu machen wird sie von

macht. Diese Fotos galten als Referenz und Textur für die Entwickler und 3D

einem Team der

Artists. Anhand dieser Daten und Referenzen wurden die Strecken modelliert.

Entwicklerfirma

Dadurch war es möglich eine Rennstrecke nachzubilden und für Rennsimula-

besucht.

tionen zur Verfügung zu stellen. Viele Rennfahrer benutzen Simulationen als Test oder Training in Rennsimulatoren. Diese Rennfahrer, die Erfahrungen auf den realen Rennstrecken haben, bemängelten immer wieder das charakteristische Eigenschaften der Rennstrecke fehlten. Dazu gehören viele Referenzpunkte innerhalb und außerhalb der Strecke um Anbremspunkte, Beschleunigungspunkte und Einlenkpunkte zu finden. Speziell auf schnellen und schwierigen Rennstrecken wie der Nürburgring Nordschleife sind solche Punkte enorm wichtig, um eine Top Leistung zu bringen. Bei den modellierten Rennstrecken waren Bodenwellen, Unebenheiten und Curbs nicht in ihrer markanten Ausprägung zu finden. Nachmodellierte Rennstrecken sind gut für die Orientierung, jedoch nicht um den echten Einsatz in einem Rennauto zu trainieren und zu simulieren. 42

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

4.2

Spieleentwicklung

Dieser Umstand hat sich in der letzten Generation der Rennsimulation geändert. Spiele wie Assetto Corsa oder iRacing.com setzen auf die Laserscan Technologie um Rennstrecken für ihre Simulationen verfügbar zu machen. Der Prozess der Erstellung einer Rennstrecke für ein Spiel hat sich dadurch verändert. Die Entwickler des Spieles iRacing.com, eine Online Plattform für Rennsimulationen, geht dabei wie folgt vor: Zu beginn der Erstellung besucht ein Team der Entwicklerfirma die Rennstrecke. Die komplette Rennstrecke wird mit einem terrestrischen Laserscanner eingescannt. Auf der Strecke wird alle 300m ein Laserscan durchgeführt, um eine lückenlose Abbildung der Rennstrecke als 3D Punktwolke zu gewährleisten. Dadurch wird garantiert, dass jeder Bestandteil der Strecke und der unmittelbaren Umgebung von allen Seiten abgebildet wird. Alle Referenzpunkte, die für Rennfahrer zur Orientierung auf der Strecke dienen, werden dadurch mit aufgenommen. Ein Scan wird in der höchstmöglichen Auflösung durchgeführt und dauert mit Auf- und Abbau ca. eine Stunde. Pro Scan werden Punkte im Bereich von bis zu 6 Kilometer aufgenommen. Als Referenzierung zueinander werden Plastikkugeln als Regelgeometrien verwendet(siehe Abschnitt 2.1.6 auf Seite 13). Neben den genauen Positionen und Höhenwerten der Punkte werden auch die unterschiedlichen Materialien die auf einer Rennstrecke vorkommen durch ihre Reflexion identifiziert(siehe Abschnitt 2.1.5 auf Seite 11). Dunkler Asphalt beispielsweise reflektiert einen geringeren Anteil des Strahls und wird dementsprechend anders in der Punktwolke dargestellt als beispielsweise eine weiße Fahrbahnmarkierung. Durch diese Technik wird millimetergenau erkannt wo der Asphalt, Curbs, Fahrbahnmarkierungen oder Kiesbetten beginnen und aufhören. Selbst der Reifenabrieb und Bremsspuren in den Anbremszonen werden erkannt. Diese Materialunterschiede werden in den Punktwolken farblich im Spektrum von grün über gelb bis rot wiedergegeben(Abb.47). Diese farblichen Unterschiede sind wichtig, damit die 3D Artists später alle Teile der Rennstrecke in der Punktwolke identifizieren und die Texturierung der Strecke originalgetreu vornehmen können.

Abbildung 47: Eingefärbte Punktwolke einer Rennstrecke, Unterschiede in der Oberfläche können klar erkannt werden, Quelle: [Irb14]

4.2

Spieleentwicklung

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

Zusätzlich zu den Laserscans werden GPS Punkte aufgenommen. Die GPS Punkte werden benötigt, um die Höhenmarken der Rennstrecke mit denen der Gebäude und dem Terrain außerhalb der Strecke zu referenzieren. Des Weiteren werden sehr viele Fotos aufgenommen. Fotos werden als spätere Textur benötigt. Daneben werden speziell Objekte außerhalb des Asphaltteiles der Strecke fotografiert, um diese später genau nachbauen zu können.

Zurück im Büro werden alle aufgenommenen Punktwolken zu einer großen Punktwolke zusammengeführt. Dadurch entsteht eine komplette Abbildung der gesamten Strecke und ihrer Umgebung. Um diese Punktwolke mit mehreren Milliarden Punkten anzuzeigen wird eine proprietäre Software benutzt. Anschließend wird sie bereinigt. Alle Punkte, die z.B. zu weit entfernt sind oder nicht benötigt werden, werden gelöscht. Die Punkte der Regelgeometrien, die zur Referenzierung der einzelnen Scans zueinander benötigt wurden, werden ebenfalls gelöscht. Nach dem Scan wird

Nach der Bereinigung der Punktwolke wird sie in zwei Teile aufgeteilt. Einmal

die Rennstrecke in

in die eigentliche Rennstrecke, alles was zwischen den Leitplanken ist, und

einer eigens dafür

in Objekte außerhalb der Strecke. Bei der Modellierung der Rennstrecke wer-

entworfenen Software

den zuerst die Asphaltteile der Strecke durch Basis Geometrien (Flächen für

erstellt.

Geraden und Kurven Elemente) erstellt. Die Punktwolke wird hierfür durch farbigen Begrenzungen in die verschieden Oberflächen aufgeteilt. Neben dem Asphalt bestehen Rennstrecken meistens aus Fahrbahnmarkierungen, farbigem Asphalt an den Seiten, Curbs, Rasenteppiche, Grasstreifen und Kiesbetten. Der Wechsel zwischen verschiedenen Oberflächen wie Asphalt oder Curbs werden dadurch punktgenau von der Realität übernommen. Die Basis Geometrien werden dann anhand der Punktwolke ausgerichtet. Kurven werden so exakt der Kurvenform und des Kurvenwinkels der Realität angepasst(Abb.48)

Abbildung 48: Punktwolke einer Kurve. Die bunten Linien beschreiben die Begrenzungen der verschiedene Oberflächen. Die gelben Linien zeigen ein Kurvensegment der Kurvengeometrie, Quelle: [Ira14]

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

4.2

Spieleentwicklung

Um anschließend die Erhebungen und Höhenlagen wie Bodenwellen und Unebenheiten der erstellten Geometrie genau abzubilden, besitzt iRacing eine Software in der die erstellte Geometrie automatisch auf die referenzierte Punktwolke gemappt wird. Somit ist gewährleistet, dass die Oberfläche der Geometrie automatisch mit der Oberfläche der Punktwolke korrespondiert.(Abb.49 und Abb.50) Dadurch wird jede Bodenwelle, jeder Curb und jede Grasnarbe millimetergenau dargestellt und selbst visuell nicht sichtbare Charakteristika der Strecke werden im daraus entstehenden Spiel wiedergegeben. Dies ist der enorme Vorteil des Modellieren mit Hilfe von Laserscans gegenüber der herkömmlichen Modellierung von Rennstrecken.

Abbildung 49: Modell vor dem Mappen auf die Punktwolke, Quelle: [Ira14]

Abbildung 50: Modell nach dem Mappen auf die Punktwolke, Quelle: [Ira14]

Durch diesen Weg der Erstellung, können relativ schnell Vorabversionen der Strecke erzeugt werden. Getestet werden diese Strecken noch während der Erstellungsphase durch erfahrene Personen, die die reale Strecke kennen. Festgestellte Fehler können dann anhand der Aussagen der Tester und der zu Grunde liegenden Punktwolke analysiert und entfernt werden. Anschließend werden alle Objekte neben der Rennstrecke modelliert. Dazu gehören Gebäude wie die Boxengasse und Tribünen, aber auch Brücken, Leitplanken, Streckenpostenhäuschen, Reifenstapel und weitere kleinere Objekte. Diese Objekte werden von den Artist anhand der Punktwolke und vielen vor Ort gemachten Fotos modelliert. Die Modelle werden nicht automatisch aus der Punktwolke generiert, da aufgrund der Realtime Fähigkeit eines Spieles nur Low-Resolution Modelle verwendet werden können. 45

4.3

Ausblick

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

Die Punktwolke hilft den 3D Artist bei der Texturierung des Objektes und vor allem bei der exakten Positionierung des Objektes an der Strecke. Somit sind alle Objekte an der realen Stelle und können als Referenzpunkte und Orientierung, z.B. als Bremspunkt für die Spieler, benutzt werden.

Abbildung 51: Screenshot des fertigen Spiels, Quelle: [Irc14]

(Vgl.: [Ira14])

4.3

Ausblick

Ein Ausbilck von Experte Johannes Rechenbach: »Also, im Bereich Architektur ist es sicherlich so, dass im Allgemeinen die Information Modelling Technik im CAD sich weiter durchsetzen wird, dass also die Kunden vermehrt auch 3 D Modelle vom Architekten fordern werden, weil es eben sehr viel mehr Informationsgehalt bietet, nicht nur in der Bauphase, sondern auch hinterher in der Bewirtschaftungsphase z.B. Facility Management und eben auch die CAD-Software immer anwenderfreundlicher und auch potenter wird, so dass also die Integration von 3 D Punktwolken auch hier sehr zunehmen wird. Das bezieht sich nicht nur auf die Architektur, sondern eben auch auf den Anlagenbau und wie ich hoffe eben auch auf die Bereiche CGI und Movie Industries. [...] Da ist sicherlich auch ein großes Potential für diese [Medien] Umgebung. Wo noch dran gearbeitet werden muss ist, dass man diese großen Datenmengen, die durch die Punktwolken erzeugt werden, dass man die am Ende so weit dezimiert, dass sie eben auch für Spiele tauglich sind. Das ist oft eben dann doch über die Umwandlung in Volumenkörper oder Meshes zu machen, was aber eben auch noch zeitintensiv ist. Da ist aber auch in den nächsten Jahren noch zu erwarten, dass die Software für diese visuellen Anwendungen wirklich einen Sprung nach vorne macht. Andererseits wird die Hardwareseite natürlich auch immer leistungsstärker was RAM-Arbeitsspeicher angeht und Grafikkarten usw. Insofern ist es wirklich spannend jetzt zu erleben, wo die Reise hingeht und ich 46

ANWENDUNG MEDIENBEREICH

4.3

Ausblick

glaube, dass die Technologie auf vielerlei Anwendungen dort auch den Leuten Vorteile bringen wird.« Laserscanner sind mittlerweile sehr weit verbreitet und haben sich in vielen

Die Anschaffungskosten

Anwendungsbereichen etabliert. Eine weitere Entwicklung dieser Technik wird

eines Laserscanners

mit Sicherheit stattfinden. Diese wird sich vor allem über die Performance der

werden immer geringer

Geräte definieren. Hauptaugenmerk liegt hierbei auf einer größeren Reichwei-

werden.

te, einer höheren Genauigkeit und eine höhere aufgenommene Punktdichte. Preislich werden die Geräte günstiger werden. Haben die ersten Geräte auf dem Markt noch um die 80.000,00 e bis 100.000,00 e gekostet, liegen aktuelle Geräte bei einem Preis von ca. 35.000,00 e. Somit wird diese Technik immer erschwinglicher und auch für kleine Firmen, speziell im Film und Spielebereich, wirtschaftlich immer interessanter. Durch die stetige Verbesserung der PC Leistungsfähigkeit wird auch das Problem der Performance trotz großer Punktwolken ein immer kleineres Problem. Der Software Entwickler Euclideon beispielsweise entwickelte den Pointcloud Viewer Geoverse[Euc15] der über eine revolutionäre Technologie zum Anzeigen unendlich großer Punktwolken auf handelsüblichen Rechnern verfügt. Diese Technik soll auch als Grafik-Engine die Spiele-Industrie revolutionieren[Sau14]. Eine weitere Entwicklung sind Datenbanken mit verschiedenen lasergescannten Modellen zur Weiterverarbeitung in z.b. Film- und Fernsehproduktionen oder der Spiele-Industrie. Die deutsche Firma Pointcloud9 besitzt so eine Datenbank mit gescannten Bauwerken. Die Datenbank wird permanent um neue Gebäude erweitert. Diese Projekte werden speziell im Filmbereich verwendet, um Sets zu erweitern oder örtlich entfernte Sets kostengünstig verfügbar zu machen[Poi15]. Die 2003 gegründete Firma CyArk hat sich das Einscannen von historischen Gebäuden und Stätten zur Aufgabe gemacht. Sie möchten durch eine kostenlose 3D Datenbank dieses Weltkulturerbe für zukünftige Generationen zur Verfügung stellen, bevor diese Gebäude durch Naturkatastrophen oder menschliches Einwirken zerstört werden.[Cya15]

FAZIT

Fazit

Das Laserscanning ist eine Technik die sich immer weiter verbreitet. In einigen Anwendungsbereichen wie der Architektur, der Anlagenplanung und der Forstwirtschaft ist sie ein fester Bestandteil der Arbeit geworden. Durch hohe Kosten- und Zeitersparnis und aufgrund der unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten des terrestrischen und des Airborne Laserscannings setzt sich diese Technik auch in vielen weiteren Anwendungsgebieten immer weiter durch. Das terrestrische

Das terrestrische Laserscanning bietet sich an, um detailreiche verwinkelte

Laserscanning hat eine

Umgebungen am Boden aufzunehmen. Dabei ist die Detailgenauigkeit von

hohe Detailgenauigkeit.

bis zu 2 mm auch für technische Anwendungen ausreichend. Es haben sich zwei Aufnahmeverfahren durchgesetzt. Das Impulslaufzeitverfahren eignet sich hervorragend, um auch größere Distanzen zu überwinden und um weite Areale aufzunehmen. Die Distanzmessung mit Hilfe des Phasendifferenzverfahrens eignet sich vor allem für kurze Distanzen. Dieses Verfahren besticht durch eine extrem hohe Punktgenauigkeit. Durch die Hinzunahme von Fotos können die aufgenommenen Punktwolken eingefärbt werden. Kein anderes Verfahren ist so schnell in der Lage eine dreidimensionale Abbildung der Realität in so hoher Auflösung und mit fotorealistischem Look zu erstellen. Die Systeme sind einfach zu handhaben und die Erstellung ist unschwer zu erlernen. Die gute Dokumentation des Systems ermöglicht einen leichten Einstieg in die Technik und das umfangreiche Angebot bietet für jeden Anwendungswunsch die passende Technik. Einzig die Aufnahme von spiegelnden und durchsichtigen Oberflächen stellt ein Problem dar. Für solche Anwendungsfälle ist ein Laserscanner nicht ausgelegt und wird es aufgrund der zugrundeliegenden Technik auch erst mal nicht werden.

Das Airborne

Das Airborne Laserscanning ist ein Verfahren, um große Landstriche oder gan-

Laserscanning eignet

ze Länder aus der Luft aufzunehmen. Der Detailreichtum und die Genauigkeit

sich hervorragend um

sind dabei um einiges geringer als beim terrestrischen Laserscanning. Durch

große Landstriche

die Entwicklung der Waveform Digitalization ist es möglich auch verschiedene

einzuscannen.

Ebenen wie Bäume oder Büsche zu unterscheiden und zu digitalisieren. Dies ist ein Grund für die umfangreiche Anwendung im Bereich der Forstinventur. Aufgrund des niedrigen Detailreichtums ist diese Technik im Medienbereich nicht so stark verbreitet. Es gibt jedoch auch hier einige vorstellbare Möglichkeiten zur Anwendung. Neben virtuellen Kameraflügen im Filmbereich, ist die Modellierung der Umgebungen für Flugsimulatoren eine interessante Vorstellung. Die Anwendung dieser Technik ist wesentlich komplizierter als die Anwendung eines terrestrischen Laserscanners. Neben der Tatsache, dass ein Fluggerät benötigt wird, muss zur genauen Positionsbestimmung ein synchronisiertes GPS System und eine IMU Einheit (Inertial Measurment Unit) verwendet werden. Die Kosten für ein funktionierendes System sind aus diesen Gründen recht hoch und müssen im Vorhinein gut überlegt werden. 48

FAZIT

Die hohe Punktdichte und die damit verbundenen großen Datenmengen sind

Die hohe Punktdichte

nicht immer einfach zu handhaben. Es besteht die Möglichkeit diese Daten-

der Punktwolken kann

mengen durch spezielle Programme zu bearbeiten und zu verkleinern. Die

zu einem Problem bei

Verarbeitung der Daten ist auf vielen verschiedenen Wegen möglich. Das bie-

der Verarbeitung

tet auf der einen Seite viel Freiraum, kann aber auch zu Problemen führen.

werden.

Es ist nicht immer einfach von einer Punktwolke zu einem funktionierenden 3D Modell zu kommen. Durch die große Anzahl an verschiedenen Pointcloud Formaten kann es zu Problemen beim Import und Export in verschiedene Programme kommen, da die diversen Programme nur einen Teil der Formate unterstützen. Dadurch kann es passieren, dass man über mehrere Programme gehen muss, um die Punktwolke in das Zielformat zu bekommen. Dies bedeutet einen Mehraufwand. Durch die immer weitere Verbreitung des Laserscannings werden die Systeme stetig preiswerter. Dadurch lohnt sich die Anschaffung für Firmen beispielsweise im Filmbereich. Auf dem Markt werden immer öfter Firmen gegründet, die sich auf die Aufnahme von Laserscans spezialisieren. Durch solche Firmen ist es möglich auch ohne die Anschaffung eines Laserscanners einzelne Produktionen mit Laserscans effizient durchzuführen. Im Bereich der Film- und Fernsehproduktion wird das Laserscanning daher

Im Bereich der Film-

schon heute sehr oft angewandt. Speziell bei großen Hollywood Produktionen

und Fernsehproduktion

mit vielen VFX Shots wird gerne mit Laserscans gearbeitet. Gründe dafür

wird diese Technik

sind die schnelle Aufnahme von Sets und die hohe Genauigkeit der Scans. Ein

schon häufig eingesetzt.

hochauflösender Scan vor Ort dauert maximal 15 Min. und da es am Set hauptsächlich um Geschwindigkeit geht, sind Laserscans die effektivste Methode, um ein komplettes Enviroment digital verfügbar zu machen. Die Möglichkeiten der Verwendung sind dabei sehr umfangreich, angefangen bei der Planung von Kameraeinstellungen und der Previsualisierung von Sets, über das Bereitstellen von Set Extensions und ganzen virtuellen Sets, bis zur Verwendung für das Kamera Tracking. Die Kosten spielen bei der Film- und Fernsehproduktion, vor allem bei klei-

Diese Technik bietet

nen Produktionen, eine entscheidende Rolle. Durch die Laserscan Technologie

neu Möglichkeiten Sets

können teure und schwer zugängliche Sets, wie der Time Square in New York

verfügbar zu machen.

oder die Westminster Abbey in London, verfügbar gemacht werden. Solche Sets können teilweise gar nicht oder nur für viel Geld kurzzeitig für Dreharbeiten zugängig und abgesperrt werden. Für einen Laserscan müssen diese Orte nicht abgesperrt werden, dadurch entstehen keine hohen Kosten. Das entstandene virtuelle Set kann unbegrenzt für jede erdenkliche Kameraeinstellung benutzt werden.

FAZIT

Dasselbe gilt für örtlich entfernte Sets. Wenn ein Film in Deutschland gedreht wird, jedoch eine Szene des Films auf der Chinesischen Mauer spielen soll, ist es wesentlich kostengünstiger ein kleines Team dorthin zu schicken, um das gefragte Stück zu scannen, als mit dem gesamten Team dorthin zu fahren und dort einige Tage vor Ort zu drehen. Diese gescannten Sets können dann beispielsweise virtuell durch die Greenscreen Technik oder als Set Extension benutzt werden. Im Bereich der

Im Bereich der Spieleentwicklung ist die Laserscan Technik relativ neu und

Spieleentwicklung ist

noch nicht sehr stark verbreitet. Das liegt unter anderem daran, dass die Scans

die Technik noch neu,

sehr detailreich und nicht Realtime fähig sind. Modelle müssen weiterhin von

hier gibt es noch viel

Hand erstellt werden. Jedoch bieten die gescannten Umgebungen für die 3D

Entwicklungspotential.

Artists eine Hilfestellung bei der Erstellung der 3D Modelle. Das immer größere Streben nach mehr Realismus in Spielen bietet jedoch für die Laserscan Technologie eine große Chance sich auch in diesem Bereich zu etablieren. Spiele wie Assetto Corsa und iRacing.com zeigen, dass durch Laserscans ein nie dagewesener Realismus im Rennsimulationsbereich möglich ist. Andere Hersteller werden nachziehen müssen, um sich auf dem Markt etablieren zu können. Auch in anderen Spiele-Genres spielt der Realismus eine große Rolle. Im Shooterbereich gibt es erste Entwicklungen, die die Laserscan Technologie für die Level Gestaltung benutzen. Dazu kommt die aktuelle Entwicklung einer Game Engine, die es möglich machen soll Punktwolken in Echtzeit für ein Spiel zu verwenden. Hier wird es spannend sein zu beobachten, wo die Entwicklung hingeht.

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produkte/gross/Kleine-Laserscanner-Zielmarkentafel-mitzwei-Anschluessen.jpg (14.07.2015) [Las13] Laserscanning Europe; Referenzkugel Laserscanning Europe GmbH, Online Shop, Magdeburg

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Brainy-Dumb USA

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Luc

Besson’s

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von

50.000-jähriger

beitskreis

Geschichte

Heimatgeschichte

unseres

Mitterfels

e.V.,

Landkreises Mitterfels

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http://ak-heimatgeschichte.mitterfels-online.de/joomla/ images/stories/mm2/mm19_2013/vorschau/airborne_laserscan.jpg (14.07.2015) [Wei12] Weidenbach M., Hoffmann K., Martens S., 2012; Laserscanning

Fichtenbeständen

Bayerische

Landesanstalt

für

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für

die

gungsautomatisierung bau,

Universität

Raum

Verfahren,

automatisierte und

Siegen,

Fertigung

Montage, Siegen

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Möglichkeiten Lehrstuhl

Fachbereich

und Ferti-

Maschinen-

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Anhang Dieses Interview mit Dipl.-Ing. Johannes Rechenbach wurde vom Autor dieser Arbeit am 18.06.2015 in Hamburg durchgeführt. Eine Frage wurde nachträglich am 13.06.2015 telefonisch angefügt. Autor: Erzählen Sie doch erst mal etwas über Ihre Person, wie Sie zum Laserscanning gekommen sind, speziell was Sie in diesem Bereich machen. Herr Rechenbach: Mein Name ist Johannes Rechenbach ich bin Architekt und beschäftige mich seit 5 Jahren mit dem Laserscanning. Ich seh da ein sehr großes Potential in der Bestandserfassung. Und sehe in dieser Technologie große Potentiale was die Erfassung in 3D angeht von realen Strukturen, die dann als digitales Modell weiterverarbeitet werden können, um eine präzise CAD Bestandserfassung zu ermöglichen. Aber auch im Bereich visuelle Darstellung bietet diese Technologie viele Vorzüge, da auch Visualisierung und Videos damit erzeugt werden können. Also immer wenn es darum geht auch komplexe Umgebungen im digitalen Modell zu erfassen, ist es eine sehr schnell sehr umfassende Möglichkeit ein digitales Modell zu erzeugen. Autor: Also Sie arbeiten speziell im Architekturbereich und das war auch Ihr Einstieg in die Laserscantechnik? Herr Rechenbach: Das ist eigentlich mein Hintergrund, wobei ich in den letzten Jahren fast hundert Prozent mich auf die Dienstleistung und den Support von Laserscanning konzentriert habe, also vor Ort für Kunden Projekte aufzunehmen und auch am Ende in CAD darzustellen und zu überführen. Autor: Zu dem Laserscanner mit dem Sie arbeiten: Was für Scanner sind das, welche Eckdaten haben die Scanner, Genauigkeit, Reichweite, welche Verfahren, wie viele Punkte nehmen die auf und vor allem der Preis, wie teuer sind diese Scanner? Herr Rechenbach: Ja, als ich eingestiegen bin habe ich sehr gründlich Recherche betrieben auf dem Markt welche Geräte in Frage kommen. Da war die preisliche Spanne doch sehr weit auseinandergehend, Leica-Geräte kosteten damals um die 80.0000,00 ebis 100.000,00 e, Faro ist dann auf den Markt gekommen mit dem Faro Fokus Scanner, der den Preis für diese Geräte schlagartig halbiert oder gedrittelt hat. Der Neupreis der aktuellen Geräte liegt jetzt da bei 35.000,00 e ca. netto. Das Laserscanningsystem arbeitet sehr schnell. Es ist eben eine streifen- und zeichenmäßige Abtastung der gesamten Umgebung mit Hilfe des Laserstrahls, der aus dem Gerät gesendet wird. Er trifft auf eine Oberfläche und der Reflexionswert wird dann in der Software als XYZ Koordinate gespeichert und das Ganze passiert so schnell, dass das pro Sekunde mehrere hunderttausend Punkte ergibt und nach einem Umlauf, wo der La58

serscanner sich um 360 Grad dreht, wird somit eben ein komplettes Abbild der Umgebung erstellt, von jeder Scanposition aus von allen sichtbaren Oberflächen in dieser Umgebung. Autor: Eine andere Frage zu Ihren Kunden und zu Ihren Dienstleistungen die Sie darbringen, welche Anforderungen haben die Kunden an Sie. Wollen sie die Punktwolken so haben oder texturiert, oder wollen die Kunden auch schon 3D Modelle haben und wenn ja stellen Sie diese 3D Modelle her? Herr Rechenbach: Ja, also die reinen Punktwolken werden sehr selten übergeben, das hat sich ein bisschen geändert. Jetzt kommen doch mehr und mehr Anfragen von Kunden, die selbst z.B. Autocad Inventor oder Factory Design im Betrieb verwenden, um im eigenen Umfeld, im eigenen Büro, diese Punktwolkedaten dann in CAD zu überführen. Es besteht aber ebenso die Möglichkeit, dass das eigene Büro oder externe Netzwerkpartner eben diese Datenformate erzeugt, die vom Kunden direkt gewünscht werden. Das können Volumenkörpermodelle sein in 3D auf Autocadbasis oder eben auch auf Microstationbasis oder Inventor. Je nachdem in welchen Formaten der Kunde arbeitet, kann man dieses CAD-Modell dann auch anwendungsgerecht dort anbieten. Autor: Ich habe bei Faro ein bisschen geschaut und auch bei anderen Scannern öfters gesehen, da wird geredet von einem Entfernungsrauschen bei einem Scanner. Wissen Sie, was das ist und können Sie es kurz erklären? Herr Rechenbach: Das Rauschen hängt einmal zusammen mit der Entfernung, weil natürlich je weiter die Messstrecke ist, desto weniger Reflexion kommt teilweise beim Scanner an, d.h. in einer Entfernung von 130 Metern die der aktuelle Scanner Faro Focus3D X 130 z.B. bringen kann. Es ist natürlich auch die Punkt zu Punkt Entfernung entsprechend größer, weil die Strahlen natürlich nach dem Strahlengesetz auseinandergehen. Insofern hat man in nahen Messdistanzen eine höhere Abbildungsqualität mit weniger Rauschen. Das Rauschen hängt aber auch zusammen mit der Oberflächenbeschaffenheit der Materialien. So sind eben stark spiegelnde Oberflächen wie Glas, Spiegel, Chrom oder Edelstahl sehr schwierig, weil die eben den Laserstrahl nicht direkt reflektieren sondern teilweise wild durch die Gegend schießen, aber auch schwarze Oberflächen, dunkle Metalle wie Kupfer oder Ähnliches sind auch schwer einzufangen. Da kommt es aber auch immer auf den Winkel an, der dort zwischen Scanner und Oberfläche beschrieben ist. Also, wenn ich einen sehr stumpfen Winkel habe ist die Messqualität schlechter, als wenn ich senkrecht auf eine Fläche messe und dort entsprechend bessere Reflexionen erzeugen kann.

Autor: Was passiert theoretisch wenn Wasser gescannt werden würde? Herr Rechenbach: Gute Frage, das hängt auch wieder ein bisschen mit dem Winkel zusammen, wenn ich von oben senkrecht auf eine Wasserfläche scanne wird durchaus z.B. beim Fall eines Flusses, das Flussbett mit erkannt. Es kommt da aber immer stark auch darauf an auf Wasserströmung und ob man einen glatten Wasserspiegel hat oder nicht, also die Daten sind da nicht ganz so verlässlich, wie wenn man eben eine direkte Oberfläche durch die Luft anzielt. Autor: Was stellen Sie sich für Anwendungsgebiete für Laserscanner vor, was kann man so mit Scanner machen, was sind nicht nur die großen Anwendungsgebiete, sondern auch die Anwendungsgebiete, die man sich vielleicht um die Ecke gedacht vorstellen könnte? Herr Rechenbach: Also klassischerweise wird beim Laserscannen oder wurde in den letzten Jahren das eben zur geometrischen Auswertung von Umgebungen verwendet, egal ob es nun um Architektur, um Fassaden und um Denkmalpflege geht oder auch Innenraumdokumentation, aber auch genauso gut im Industrieumfeld. Im Anlagenbau ist es hochinteressant, weil dort eben auch sehr komplexe technische Installationen sind, die es gilt zu dokumentieren. Dort ist das Verfahren eben auch super anzuwenden, weil man am Ende aus dem Punktwolken Modell auch CAD Extraktionen machen kann, wo alle Rohrleitungen und Verbindungsstücke nachmodelliert werden, um eben Teile der Anlage erneut zu planen und auszutauschen, oder eben eine umfassende Dokumentation des Ist-Zustandes zu haben. Das sind so die klassischen Anwendungsbereiche. Ich sehe aber auch große Chancen darin in der visuellen Auswertung für Animationen, für Videos, für die Filmindustrie, für CGIThemen, immer wenn es darum geht, dass man die Umgebung möglichst umfassend und detailgetreu dokumentiert. Weitere Vorteile sind, dass man diese erzeugten Daten eben auch über das Internet teilen kann und somit ortsfern weltweit zur Verfügung stellen kann. So werden z.B. alle Volvo-Fabriken weltweit schon gescannt und auch Umbauten aktuell immer nachgescannt, so dass also alle Projektbeteiligten von Volvo weltweit dort Zugriff haben, um eben Produktionsabläufe zu optimieren und Neuanlagen ohne Verluste an Zeit und Montageaufwand, der eben ohne den Scan viel aufwändiger wäre, effizient abzubilden. Autor: Kommen wir zu etwas Praktischerem, können Sie kurz skizzieren wie so ein Scan abläuft und worauf man achten muss? Herr Rechenbach: Das hängt sehr damit zusammen welche Umgebung gescannt wird, wenn man z.B. einen Straßenzug in der Innenstadt mit seinen Fassaden abbilden will dann reicht es auch durchaus aus, dass man alle 10 bis 15 Meter eine Aufstellung macht und einen Einzelscan durchführt, der dann eben in der 60

Vernetzung und Verkettung der einzelnen Scanpositionen das Gesamtabbild dieses Straßenzuges darstellt. Wenn ich aber eine komplexe technische Anlage habe wie einen Pumpenraum oder Ähnliches, kann es auch schon mal sein, dass man auf einer Fläche von 100 Quadratmetern 50 Einzelscans braucht, um wirklich auch alle Objekte von vorn und hinten abzubilden, weil eben der Scanner immer nur das abbildet was er auch tatsächlich sieht und entsprechend Rückseiten oder auch Anlagenteile, die auch von oben dargestellt werden müssen, dann eben von Hubgerüsten, wie auch immer, gescannt werden müssen. Autor: Wie wird so ein Scan geplant, worauf muss man achten und welche Vorteile hat die Benutzung eines Laserscanners? Herr Rechenbach: Das Gerät was wir einsetzen ist von Faro. Das hat insofern den Vorzug, dass es sehr anwenderfreundlich ist, dass man ohne eine große Vorausbildung des Vermessungswesens, oder wie auch immer, das Gerät schnell einsetzen kann. Es hat einen Touchscreen eingebaut, wo ich alle Parameter der Auflösung sehr zügig einstellen kann. Dazu kann man die Farbwerte der Umgebung aufnehmen, so dass man also die Punktwolken auch farblich abbilden kann. Das Gerät ist handlich und klein und steht auf einem Stativ. Man kann es auch einhändig transportieren. In der Regel erstellt man von der Umgebung zuvor einen Lageplan, oder macht sich ein Bild davon wie viel Aufstellungen ich wo nötig habe, und abhängig davon werden Passmarken in der Umgebung aufgestellt. Da sollte man pro Scan drei überlappende Passmarken haben, die dann auch eben im Nachbarscan erkannt werden, so dass diese dann später auch in der Software korrekt stationiert werden können. Autor: Dieses Zusammenfügen oder auch stitchen mehrerer Scans, wie funktioniert das, was muss man von der Softwareseite aus machen? Herr Rechenbach: Genau das ist eigentlich ein halbautomatischer Prozess, d.h., wenn ich in der Scanumgebung eben genügend Passmarken aufgestellt habe. Das sind in der Regel Kugeln, die eben automatisch in der Software erkannt werden, oder auch Schachbrettmuster, die man auf einem DIN-A-4Blatt ausdrucken kann und an die Wand hängt. Diese werden dann in der Software automatisch erkannt, so dass also beim Prozessieren der Scans in der Software Faro Scene diese dann auch lagerichtig zueinander positioniert werden. Autor: Gibt es Möglichkeiten es ohne Passmarken zu machen? Herr Rechenbach: Ja, das ist eine sehr aktuelle Tendenz, die sich sehr anbietet für visuelle Auswertungen, wo die Passmarken eben auch optisch stören würden. Das geschieht dann über die Cloud to Cloud Registrierung, wo einzelne Punktinhalte und Ebenen und Inhalte der Scans eben automatisch erkannt werden und lagerichtig zueinander positioniert werden. Das funktioniert schon 61

sehr gut je nach Umgebung. Wenn ich allerdings im Außenbereich bin und Bäume habe die im Wind ihre Geometrie verändern, dann ist es teilweise nicht ganz so einfach. Das muss man von Projekt zu Projekt entscheiden, wie man da vorgehen möchte. Autor: Wie funktioniert das Texturieren der Punktwolke. Was passiert vom Scannen aus bis zum fertigen colourierten Modell? Herr Rechenbach: Also, was erst einmal gemacht wird, wenn man die Farbwerte mithaben will ist, dass die Punkte durch den Kameradurchgang, der im Anschluss an den Grauwertescan erfolgt, dass die Punkte hier alle eingefärbt werden, so dass diese Punkte eine farbliche Information im RGB Bereich bekommen. Das ist dann erst mal im Bereich der Punktwolke. Wenn man weitere Extraktionen machen will, wie z.B. eine Vermeshung oder eine Modellierung, würde man diese Punktwolke in einer weiteren Software einfügen, die dann eben speziell ausgerichtet ist dafür Meshes zu erzeugen, um dann eine geschlossene Oberfläche zu bekommen. Autor: Wie wird dieses Meshen durchgeführt? Kann das die von Faro mitgelieferte Software Scene LT? Herr Rechenbach: Sehr rudimentär, also für kleinere Detailbereiche lässt sich das durchaus machen. Da gibt es aber andere Tools, die da mächtiger sind. Das geht von der Erzeugung mit MeshLab bis hin zu Spezialprofisoftwareanwendungen wie Geomagic z.B., was schon seit Jahren eigentlich so das Steckenpferd ist für die professionelle Bearbeitung. Autor: Haben Sie schon Erfahrung mit Airbornescannern in irgendeiner Form gemacht? Herr Rechenbach: Ich persönlich nicht. Ich habe auf diversen besuchten Kongressen und Veranstaltungen dort natürlich Vorträge gehört. Das ist natürlich eine kostenintensive Geschichte, da dort eben über einen Helikopter oder ein Flugzeug rausgescannt wird. Aufgrund der großen Distanzen zu den Oberflächen ist das Verfahren weniger genau. Es ist aber durchaus möglich auch Genauigkeiten von 5 bis 10 cm zu erzeugen durch diese Airbornesysteme. Was in letzter Zeit dort als Konkurrenz auftaucht ist eben auch das Photogrammetrie Verfahren, dass man von Drohnen aus preisgünstig mit Hilfe von bis zu Tausenden von Einzelfotos eben auch eine Punktwolke erzeugen kann. Das ist eine sehr spannende Entwicklung, die auch in Zukunft sicherlich weitere Überraschungen bereit hält. Autor: Das Sizarr Musikvideo in Zusammenarbeit mit der btf. Was waren Ihre Eindrücke, was waren Ihre ersten Gedanken dazu als Sie das gehört haben und was haben Sie sich darunter vorgestellt? 62

Herr Rechenbach: Es war ein sehr spannendes Projekt, weil die bildundtonfabrik auf mich zukam um nachzufragen, ob denn diese Laserscandaten sich auch eignen würden solch ein innovatives Musikvideo zu erzeugen, was bisher noch sehr unkonventionell ist, besonders wenn man in der reinen Punktwolke bleibt, um diese halt als visuelles Endprodukt zu verwenden. Ich fand das Projekt sehr spannend, weil es eben da mal nicht um Zentimeter geht und irgendwelche Geometrieauswertungen, sondern wirklich der visuelle Effekt im Vordergrund stand. Ich fand auch spannend, dass das eben von einer Filmproduktionsfirma angefragt wurde, die sich sonst eben eher mit konventionellen Drehs beschäftigt und so, aber auch das ganze Vorgehen am Set sehr professionell mit den Schauspielern, die gewisse Positionen eingenommen haben am Set, und ein klares Drehbuch, was vorgegeben hat, was an jeder Location genau abzubilden ist und insofern war das ein sehr spannendes Projekt. Autor: Gab es irgendwelche besonderen Unterschiede im Gegensatz zu anderen Projekten. Etwas das wirklich gravierend anders war? Herr Rechenbach: Es war insofern anders, da natürlich Menschen und Schauspieler gewohnt sind sich zu bewegen, und für die Scandauer von ca. 3 Min. pro Einzelscan mussten die Schauspieler eben in einer Art Schockstarre verbleiben, da sonst die Auswertungen verwaschen geworden wären und eine unklare Optik erzeugt hätten. Autor: Würde Sie so etwas noch mal machen? Herr Rechenbach: Sehr gern. Immer wieder. Autor: Irgendeine gewonnene Erfahrung, irgendwas wo man sagt, ja, das ist was, was ich für mich mitgenommen habe? Herr Rechenbach: Auf jeden Fall. Es war sehr spannend, es war ein sehr lebhaftes Vorgehen, weil man ja sonst eher doch nur mit Materie zu tun hat die man einscannt, und die Kooperation mit Regie und Schauspielern war insofern sehr lebhaftes Vorgehen und ein spannendes Erlebnis. Autor: Haben Sie irgendwelche Ideen und Visionen zur Verwendung von Laserscannern speziell im Bereich von Film und vielleicht auch im Bereich der Spieleentwicklung? Herr Rechenbach: Da ist sicherlich auch ein großes Potential für diese Umgebung. Wo noch dran gearbeitet werden muss ist, dass man diese großen Datenmengen, die durch die Punktwolken erzeugt werden, dass man die am Ende so weit dezimiert, dass sie eben auch für Spiele tauglich sind. Das ist oft eben dann doch über die Umwandlung in Volumenkörper oder Meshes dann zu machen, was aber eben auch noch zeitintensiv ist. Da ist aber auch in den nächsten 63

Jahren noch zu erwarten, dass die Software für diese visuellen Anwendungen wirklich einen Sprung nach vorne macht. Andererseits wird die Hardwareseite natürlich auch immer leistungsstärker was RAM-Arbeitsspeicher angeht und Grafikkarten usw. Insofern ist es wirklich spannend jetzt zu erleben, wo die Reise hingeht und ich glaube, dass die Technologie auf vielerlei Anwendungen dort auch den Leuten Vorteile bringen wird. Autor: Meine nächste Frage beschäftigt sich mit der weiteren Entwicklung in diesem Bereich, vor allem zu Laserscannertechniken in der Zukunft, die jetzt kommen können. Ich habe diesen Handscanner von Faro gesehen, was haben Sie da für Informationen, wofür ist dieser Handscanner zu gebrauchen? Herr Rechenbach: Ja, für den Nahbereich, der eben nicht über Dutzende von Metern gehen muss, sondern bis zu 3 Metern Entfernung gute Qualitäten bietet ist eben ein Handscanner sehr ergonomisch einsetzbar, weil er eben auch handgeführt hinter Kanten gehen kann, unter Oberflächen nah am Boden Dinge erfassen kann usw., wo der stationierte Laserscanner eben doch manchmal Nachteile hat. Es ist parallel zu erwarten, dass auch diese Technik, die aus dem High-End-Segment kommt, die ersten Laserscanner haben an die 200.000,00 e gekostet mit einer miesen Qualität, also diese Demokratisierung der Technik wird natürlich auch in den nächsten Jahren weitergehen, so dass die Geräte bei gleichzeitiger Leistungssteigerung aber auch immer preisgünstiger werden sollen. Autor: Irgendwelche Entwicklungen für die Fernbereichsscanner, irgendwas wo man sagt, da wäre die Entwicklung nach vorne schön? Herr Rechenbach: Ja, da gibt es natürlich auch verschiedene Techniken. Der Faro Fokus z.B. bedient sich ja des Phasenvergleichsverfahrens, was für diese Distanzen bis zu 100 Meter sicherlich das derzeit beste Verfahren ist, aber es gibt für den Nahbereich mit hohen Auflösungsanforderungen natürlich auch Streifenlichtscanner die eingesetzt werden, oder andere Systeme, die wirklich bis kilometerweit scannen können. Autor: Das funktioniert dann wahrscheinlich über Laufzeitmessung? Herr Rechenbach: Genau. Autor: Haben Sie noch irgendwas, das Sie ergänzen möchten? Herr Rechenbach: Also, im Bereich Architektur ist es sicherlich so, dass im Allgemeinen die Information Modelling Technik im CAD sich weiter durchsetzen wird, dass also die Kunden vermehrt auch 3D Modelle vom Architekten fordern werden, weil es eben sehr viel mehr Informationsgehalt bietet nicht nur in der Bauphase, sondern auch hinterher in der Bewirtschaftungsphase 64

z.B. Facility Management und eben auch die CAD-Software immer anwenderfreundlicher und auch potenter wird, so dass also die Integration von 3D Punktwolken auch hier sehr zunehmen wird. Das bezieht sich nicht nur auf die Architektur, sondern eben auch auf den Anlagenbau und, wie ich hoffe, eben auch auf die Bereiche CGI und Movie Industries. Autor: Also kann man davon ausgehen, dass die Laserscan Technik nicht nur zeitweise eine Erscheinung ist, die dann abgelöst wird durch möglicherweise eine andere Technologie, sondern ein guter Schritt in die richtige Richtung ist? Herr Rechenbach: Das auf jeden Fall. Dennoch gibt es natürlich auch andere Techniken wie z.B. die Photogrammetrie, die auch deutliche Fortschritte gemacht hat. Es wird also immer parallele Techniken geben, die dort je nach Anforderungsprofil zielgerichtet angewendet werden können. Autor: Was sind die größten Unterschiede, oder wo kann man sagen, da ist Laserscan besser, da ist Photogrammetrie besser? Herr Rechenbach: Das Laserscanning ist immer von Vorteil, wenn man wenig Zeit hat, schnell viele Informationen sammeln möchte mit geometrischen Details. Die Photogrammetrie hat meiner Ansicht nach Vorteile, wenn es mehr um kartografische Erfassung geht von z.B. Maueroberflächen an denkmalgeschützten Häusern, oder auch Bereiche, ich denke an Brücken z.B., die man dann mit Drohnen überfliegen kann, wo ein Laserscanner eben nur sehr schwer oder umständlich oder auch gar nicht eingesetzt werden könnte aufgrund des Wassers, was sich eben auch bewegt, und der Laserscanner muss ja immer einen festen Stand haben, wo andererseits Airborne Laserscanning einfach viel zu teuer wäre für diese Einsätze. Das kommt dann immer auf den Anwendungsfall an, was sich am besten einsetzen lässt. Autor: Gibt es noch weiter Bereiche in denen Laserscanner eingesetzt werden? Herr Rechenbach: Der dritte Teilbereich neben dem terrestrischen Laserscanning und dem Airborne Laserscanning ist das Mobile Mapping, wo ich einen Laserscanner oder auch mehrere Systeme z.B. auf einem Auto montieren kann oder auf eine Lokomotive, um Bahnstrecken zu erfassen und alle Anbauten und Signale und Störkanten, die es im Gleisbereich gibt. Da wird der Scanner so verwendet, dass er sich nicht um die eigene Achse dreht, sondern er bleibt starr in einer Position und misst ständig nach links und rechts raus, wobei eben das Fahrzeug sich bewegt, und je nach Schnelligkeit des Fahrzeuges erhalte ich dann eben auch eine mehr oder weniger dichte Punktwolke. Autor: Es wäre also praktisch um z.B. Straßenzüge einzuscannen, oder das Ganze auf ein Auto zu montieren und dann a la Google irgendwelche Objekte zu kartieren. Herr Rechenbach: Auf jeden Fall. Also, es ist schon üblich heutzutage, dass man für die städtische Infrastruktur z.B. oder für Autobahnwegesysteme dieses 65

Mobile Scanning einsetzt, um eben auch die lichten Höhen unter Autobahnbrücken z. B. zu erfassen, oder wo in welcher Art Straßenschilder, Kanaldeckelstörkanten vorhanden sind, die dann eben später ausgewertet werden können. Man kann sogar das Gerät auf dem Fahrrad montieren, so dass man einfach auf einem kleinen Anhänger den Scanner hinter sich her zieht. Das ist eine sehr preisgünstige Version des Mobile Mappings, weil andere Systeme eben auch da immer noch sehr teuer sind und dann hängt es eben von der Fahrgeschwindigkeit ab. In der Regel fährt man so 40 bis 60 km/h, um auch eine genügend dichte Punktwolke zu erreichen. Autor: Vielen Dank für dieses interessante und aufschlussreiche Interview Herr Rechenbach: Gerne. Nachträglich eingefügte Frage und Antwort. Autor: Was sind die allgemeinen Vorteile und Nachteile des Laserscannings gegenüber herkömmlichen Methoden? Herr Rechenbach: Es kommt ganz darauf an was ich oder der Kunde braucht. Wenn ich beispielsweise ein Hotelgebäude mit vielen kleinen Zimmern habe und der Kunde möchte den Grundriss dieses Gebäudes für ein CAD Programm haben, ist es schneller und wirtschaftlicher den Grundriss mit einem Einzelpunktmessverfahren aufzunehmen. Mit einem Tachymeter oder einen Laserabstandsmesser können in diesem Fall schnell die Abstände der Räume aufgenommen werden. Sollen jedoch detaillierte Informationen wie die Positionen von Lichtschaltern und Steckdosen aufgenommen werden, hat der Laserscanner seine Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren. Hier ist die Aufnahmegeschwindigkeit einfach wesentlich höher. Ein Problem bei der Messung können auch spezielle Materialien mit sich bringen. Hochpolierte Edelstahlrohre sowie Glas und Wasser können teilweise nicht von einem Laserscanner aufgenommen werden, da die Strahlen nicht zum Scanner zurückreflektiert werden. Dadurch erhält man dann ein unzuverlässiges Messergebnis. Auch sehr dunkle Oberflächen absorbieren das Licht und können Probleme mit sich bringen. Aber da gibt es auch Unterschiede in der Aufnahme bei den verschiedenen Scannern. Bei besonders hohen Gebäuden wie zum Beispiel einer Kirche, muss man auch abwägen wie man diese einscannt. Hier bietet sich für den Kirchturm eher eine Drohne, also das Airborne Scanning an. Ein terrestrischer Scanner würde keine genauen und ausreichenden Messergebnisse eines Turms erstellen. Er braucht eine gute Übersicht der Umgebung. Für den unteren Teil der Kirche wäre die Übersicht da wieder vorhanden.

Eigenständigkeitserklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst habe. Ich versichere, dass ich keine anderen als die angegebenen Quellen benutzt und alle wörtlich oder sinngemäß aus anderen Werken übernommenen Aussagen als solche gekennzeichnet habe, und dass die eingereichte Arbeit weder vollständig noch in wesentlichen Teilen Gegenstand eines anderen Prüfungsverfahren gewesen ist. Duisburg, 22.07.2015