Multi-Scale / Multi-Sensor 3D-Dokumentation und 3D Visualisierung Höfischer Prunkräume

Abstract

Architektur, Fassung und Ausstattung höfischer Prunkräume sind ab der Renaissance meist klar durchkomponierte Gesamtentwürfe, gleichsam begehbare Kunstwerke, deren 3D-Erfassung höchste Ansprüche stellt. Schwierige Oberflächen wie Vergoldungen, Tapeten und Stoffe und eine hohe Dynamik in der Auflösung von Figuren, Möbeln und Wandbauteilen sind die Regel. Aufbauend auf der Erfahrung mit der Erfassung hochwertiger Prunkräume in den Schlössern Herrenchiemsee und Linderhof wurde daher vom DLR Robotik und Mechatronikzentrum ein Multiscale / Multi-Sensor Ansatz zur 3D-Erfassung dieser komplexen Räume definiert und in einem durch die Bayerische Forschungsstiftung geförderten Projekt mit mehreren Partnern aus der Industrie und Denkmalpflege im Rahmen des MuSe Projektes für die Restaurierung des Markgräflichen Opernhauses in Bayreuth umgesetzt. Zielsetzung des Projektes ist die Verschmelzung des Laserscannens mit Farbinformationen und moderner Methoden der Photogrammmetrie. Dazu werden ein Farblaserscanner ZF 5010C und eine hochleistungsfähige, metrische PCO sCMOS Kamera für einen gemeinsamen 3D Workflow mit Auflösungen zwischen 0,1 und 2mm eingesetzt. Durch das sCMOS Prinzip mit nur 1,5 bis 2 Elektronen Rauschsignal bei bis zu 60% Quanteneffizienz des Bildwandlers können HDR Bilder „at one Shot“ mit 5MP Auflösung und einem linearen 16 Bit Ausgangssignal erstellt werden. Die speziell aufgebaute MuSe Kamera kann mit der Hand geführt und um ein leistungsfähiges LED-Flash ergänzt werden. Die Aufnahmen erfolgen mit 10 bis 30 Vollbildern pro Sekunde, so dass die aufzunehmenden Objekte gleichsam abgefilmt werden. Durch stufenweise Verkleinerung des Kameraabstandes zum Objekt kann die geometrische Auflösung dabei bis an die Abbildungsgrenze der verwendeten Objektive gesteigert werden. Wie in der klassischen Photogrammetrie, stellen auch hier die Messfilme und Messbilder das eigentliche digitale Original dar. Diese Bilddaten können beliebig oft in unterschiedlichen Auflösungen ausgewertet werden; dazu zählt auch, dass nach vielen Jahren mit dann aktuellen Methoden wieder auf das Material zugegriffen werden kann. Für den 3D-Workflow zur Erstellung „begehbarer“ 3D-Modelle werden zunächst alle Bilder mit einem Structure from Motion (SFM) Ansatz vororientiert. Anschließend werden die Kameraparameter und Aufnahmepunkte mit einer klassischen Bündelausgleichung - ergänzt um die Messungen aus den Laserbildern - optimiert. Danach wird für jedes Kamerabild auf der Basis von einer Vielzahl von Nachbarn mit dem Semi Global Matching (SGM) des DLR ein perspektivisches Tiefenbild berechnet. Die einzelnen Tiefenbilder werden vermascht, die Teilmeshes fusioniert und dann texturiert. Die fertigen Daten werden dann an 3D-Studio oder an eine „Gamingengine“ übertragen und können dort in Echtzeit animiert oder mit weiteren Informationen versehen werden. Mit anderen Workflows können Pläne oder Orthophotos erzeugt werden. Bei gut texturierten Oberflächen, wie sie in der Archäologie, bei Steinrestaurierung oder an Freskogemälden üblicherweise anzutreffen sind, ist der beschriebene 3D-Aufnahmevorgang auch mit optimierten Systemkameras in hohen Qualitäten möglich, wobei Auflösungen ab 0,25 mm erzeugt werden können. Entsprechende Systemkameras können auch vom Multicopter eingesetzt werden. Der sichere Umgang mit professionellen Digitalen Kameras gehört bei Archäologen, Bauforschern, Restauratoren und Kunstgeschichtlern aber fast selbstverständlich zum Handwerk. So entstand die Idee, für diese Bereiche einen „3D-Koffer“ mit kalibrierter Kamera sowie einem Laptop mit den erforderlichen Programmen zu packen, mit dem alle Arbeiten vor Ort ausgeführt und kontrolliert werden können. Zur Erstellung hochauflösender 3D-Scans oder 3D-Modelle können die Daten dann an illustrated architecture weitergeleitet werden. Erste Versuche in Ostia und an barocken Deckenmalereien erfolgen zur Zeit, und sollen auf der Konferenz mit vorgestellt werden.