3D-Modellierung mit Fotografien
Guenter Pomaska, Bielefeld University of Applied Sciences
Gamze Saygi, Izmir Institute of Technology
Kurzbeschreibung einer Architektur-Dokumentation unter Anwendung
einfacher photogrammetrischer Methoden der Bildentzerrung mit
anschließender 3D-Modellierung.
Eine Kooperation der
Fachhochschule Bielefeld, Izmir Institute of Technology und Aalborg University,
unterstützt durch das europäische Erasmus Programm
2007.
Digitale Bildaufnahme
Handelsübliche digitale Kameras sind als Digitale Kompakt Kameras (DCC) oder Spiegelreflexkameras (SLR) erhältlich. Während die analogen Kleinbildkameras mit einem Filmformat von 24mm x 36mm ausgestattet waren, sind bei digitalen Kameras heute unterschiedliche Sensorformate anzutreffen. Die Sensoren werden als Typen mit den Größen 1/2.7", 1/1.8" or 2/3" bezeichnet. Diese Typbezeichnung geht zurück auf alte TV-Kamera Spezifikationen. In der Tabelle sind die Abmessungen der in diesem Projekt benutzten Kameras angegeben Beide Sensoren zeigen eine Auflösung von etwa 7MPx. Aufgrund der kleineren Sensorfläche ist bei den kleineren Pixelgrößen aber ein Verlust in der Bildqualität zu akzeptieren.
| Type | Aspect Ratio | Diagonal | Width | Height | Resolution | Pixel Size |
| 1/1.8 | 1.3 | 7,18 | 5.76 | 4.29 | 3072x2304 | 0.0018 |
| 1/2.3 | 1.5 | 28,66 | 24.06 | 15.58 | 3008x1960 | 0.0080 |
In der Grafik werden die Sensorgrößen mit einer analogen Bildfläche des Kleinbildformates verglichen.
Bildverbesserung
Die unterschiedlichen Sensortypen wie der Foveon-Sensor, Fuji Super CCD, CCD oder CMOS Sensoren werden hier nicht näher betrachtet. Bildqualität wird beeinflusst durch geometrische Genauigkeit, Farbgüte, dynamischen Bereich, Rauschen und andere Effekte. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Anwendung ist der Einfluss der Objektivverzeichnung von Bedeutung und zu reduzieren. Aufgrund der Objektivverzeichnung wird ein Rechteck tonnenförmig oder kissenförmig abgebildet. Tonnenverzeichnung tritt bei Weitwinkelobjektiven auf, Kissenverzeichnung ist am häufigsten am Ende von Tele-Zoom-Objektiven sichtbar.
Es existieren unterschiedliche Möglichkeiten zur Bestimmung der Verzeichnungsparameter, wie auch Software zur Berücksichtigung und Korrektur der Bilddaten. Hier wird ein einfaches Testmuster zur Bestimmung und Korrektur der Verzeichnung in Verbindung mit der Freeware ShiftN benutzt. ShiftN zeigt die EXIF-Daten des Originalbildes und kann vertikal stürzende Linien automatisch korrigieren. Der Verzeichnungswert für den radial symmetrischen Anteil wird empirisch durch Annahme bestimmt. Die Korrektur von mehreren Bildern kann automatisch im Batch-Prozess durchgeführt werden. Sie können durch Klick in das nebenstehende Bild eine GIF-Animation aufrufen, die ein korrigiertes und ein unkorrigiertes Bild, aufgenommen mit einer Weitwinkelkamera, im Wechsel anzeigt und somit den Einfluss der Verzeichnung deutlich macht.
Im Anschluss an die Verzeichnungskorrektur, die im ganzen Bild
erfolgen muss, können mit Bildbearbeitungsprogrammen weitere
Verbesserungen wie radiometrische Korrekturen oder Ausschnitt der
Entzerrungsebenen vorgenoommmen werden.
Sehen Sie hier den Einfluss
der Verzeichnung -
Mausklick
in das Bild.
Einzelbildentzerrung
Mit Orthophoto-Erstellung wird der Prozess bezeichnet, der Perspektiven in orthogonale und somit maßstäbliche Abbildungen umbildet. Das Verfahren wird auch als differentielle oder parametrische Entzerrung bezeichnet. Neben der bekannten inneren und äußeren Orientierung (Kameradaten und Photoposition) wird auch ein digitales Objektmodell benötigt.
Einzelbildentzerrung ohne Kenntnis der Kameradaten kann aufgrund von mindestens vier Kontrollpunkten oder der Fluchtpunktbedingungen erfolgen. In beiden Fällen wird jedoch das Objekt als Ebenen angenommen. Im letzteren Fall ist das Vorhandensein von zwei orthogonal zueinander stehenden Parallelenpaaren notwendig. Der weiter benötigte Maßstab kann durch Messung vor Ort oder aus digitalen Karten bestimmt werden. Im Fall der Auswertung von Architekturaufnahem wird man diese Bedingungen meisten vorfinden. Die Entzerrung liefert dann Objekthöhen und eine einheitliche Objektauflösung.
Für Ausbildungszwecke wurde die Software VeCAD von Vassilios Tsioukas, Democritos University of Thrace, zur Verfügung gestellt, die sich durch einfache Handhabung auszeichnet.
Mit der photogrammetrischen Bildentzerrung vergleichbar ist das von der Computergrafik her bekannte Texture-Mapping. Eine 2D-Textur korrespondiert mit einem 3D-Objekt über Referenzpunkte. Es ist aber anzumerken, dass hier noch kein 3D-Model vorliegt, sondern dieses erst aus den entzerrten Bildern abzuleiten ist.
3D-Modellierung mit Google SketchUp
Vor Benutzung einer Maschine, sollte man deren Funktionsweise
kennen. Die Anwendnung von Sketchup ist keine Ausnahme von dieser Regel. Der
Anwender muss eine Datei in Komponenten, Gruppen und Layer organisieren und die
Wirkung der Inference-Engine ergründen. SU versucht immer die
Zusammenfügung von Elementen. Durch Gruppierung kann man Elemnte hiervon
separieren. Google SU ist ein polygonaler Flächenmodellierer. Geomtrie
besteht aus Kanten und Flächen. Das Entfernen von Flächen entfernt
keine Kanten. Aber Entfernen von Kanten entfernt auch zugehörige
Flächen. Trotz der angepriesenen einfachen Bedienung von SketchUp wird
empfohlen, vor dem praktischen Einsatz sich vertieft mit der Software zu
beschäftigen. Für die 3D-Modellierung aus Messungen und Bildern
stellt SU ein mächtiges Tool dar. Hervorzuheben sind auch die
Möglichkeiten des Datenaustausches und hier besonders die Schnittstelle zu
Google Earth.
Der Arbeitsablauf
Anwendungen Ritterstrasse, Minden und Kennedy Plads, Aalborg
Die Ritterstrasse in Minden ist Teil eines Testgebietes für ein digitales Stadtmodell. Über die digitale Karte (ALK-Daten) sind die Grundrisse der Häuser vorgegeben. Die Höhenlage ist über das digitale Geländemodell bekannt. Aus den Entzerrungen gewinnen wir Traufenhöhen und können durch Verschiebung der Basislinien in der blauen Richtung (SketchUp Jargon) rechteckige Fassadenflächen ableiten und die Texturen zuordnen. Die weitere Modellierung der Giebel und Firsthöhen kann dann unter Benutzung des SketchUp Modellierers erfolgen.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind die Gebäude am Kennedy Plads in Aalborg, Dänemark. Das Beispiel wurde während der Vorlesungen am Institut for Development and Planning erstellt. Die einfache Handhabung der Softwarewerkzeuge und der Arbeitsablauf, wie in der obigen Abbildung dargestellt, konnte so demonstriert werden.
Weitere hochauflösende Beispiele finden Sie in der Galerie!
