3D-Welten berechnen Aus Handyfotos wird Virtual Reality

Für ein 3D-Modell archäologischer Ausgrabungen wurden 3D-Scanner-Daten und Fotos zusammengesetzt.
Für ein 3D-Modell archäologischer Ausgrabungen wurden 3D-Scanner-Daten und Fotos zusammengesetzt.

Es ist nichts Ungewöhnliches mehr, die Welt dreidimensional am Computer darzustellen. Meist ist das Erzeugen von 3D-Modellen bislang allerdings sehr aufwendig. Ein neues Verfahren erlaubt das Erstellen von 3D-Bildern sogar mit gewöhnlichen Handyfotos.

In dem von der TU Wien geleiteten Forschungsprojekt „Harvest4D“ werden Algorithmen entwickelt, mit denen man aus bestehenden Bilddaten dreidimensionale Welten erstellen kann. Dabei müssen die Bilder gar nicht unbedingt für diesen Zweck gesammelt worden sein.

Bisher ist das Erstellen von 3D-Bildern ein kompliziertes Unterfangen. Ein typisches Verfahren heutzutage ist das Laser-Scannen, wobei in der Regel bereits vor dem Erstellen der hochauflösenden Bilder eine sorgfältige Planung nötig ist und die Daten hinterher noch ausführlich nachbearbeitet werden müssen, um glatte Flächen und klare Formen zu erzeugen.

Die Herangehensweise der Forschergruppe um Prof. Michael Wimmer vom Institut für Computergraphik und Algorithmen der TU Wien ist es dagegen, das umfangreiche Datenmaterial – das heute sowieso überall zur Verfügung steht – als Bilddaten zu nutzen. Aus großen Sammlungen von Bilddaten schaffen sie es, mit den passenden Rechenmethoden 3D-Modelle zu generieren. Die Bilder werden am Computer nicht mehr einfach nur zusammengestückelt, sondern sie werden rechnerisch zu vollständigen 3D-Modellen zusammengesetzt. Man kann sich also am Bildschirm frei um ein Objekt herumbewegen und kann es aus beliebigen Blickwinkeln ansehen, sogar aus Blickwinkeln, die auf den Bilddaten gar nicht vorkamen.

Fehlertolerante Programme

Um dies zu erreichen, mussten Programme entwickelt werden, die Fehler tolerieren, denn die zugrunde liegenden Daten sind nie perfekt. Beispielsweise sind die Bilder manchmal unscharf oder sie zeigen Objekte bei sehr unterschiedlichen Lichtverhältnissen. Scans können außerdem Artefakte enthalten, die bei der Rekonstruktion störend sind.

Im Forschungsprojekt „Harvest4D“ ist es gelungen, archäologische Ausgrabungen dreidimensional zu visualisieren. Die Ausgangsdaten waren hierbei gewöhnliche Fotos; zusätzlich wurde die grobe Struktur mit einem Laserscan gemessen. Die Detailtiefe der Visualisierung muss nicht überall gleich sein. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, für normales Mauerwerk eine eher grobe Darstellung zu nutzen, aber für interessante Fresken die maximal mögliche Detailtiefe zu nutzen.

Um 3D-Modelle auf Endgeräten wie Notebooks oder Smartphones flüssig darzustellen, wurde am Computergraphik-Institut der TU Wien der „potree viewer“ entwickelt. Er wurde zur Darstellung großer Punktewolken entwickelt, die nicht in den Speicher von eher leistungsschwachen Endgeräten passen.

Veränderungen in der 4. Dimension

Wenn bekannt ist, zu welchem Zeitpunkt die Bilder aufgenommen wurden, kann den drei Raumdimensionen noch eine zeitliche Dimension hinzugefügt werden und untersucht werden, wie sich die beobachtete 3D-Welt verändert. Die Herausforderung bei dieser Aufgabenstellung ist es, dem Computer die Fähigkeit beizubringen, festzustellen, ob sich die abgebildeten Objekte tatsächlich verändert haben oder ob die Bilder nur unterschiedlich aussehen, weil sie bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen, aus unterschiedlichen Winkeln oder mit unterschiedlichen Geräten aufgenommen wurden.