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Fotobasierte 3D Rekonstruktion altbergbaulicher Objekte

Aktuelles

TV-Beitrag in der Sendung „nano” (3sat) am 22. Mai 2012 unter dem Titel „3D leicht gemacht” (Video)

Motivation

Im Projekt 3D-Rekonstruktion aus digitalen Fotos werden bestehende Verfahren zur Erzeugung von 3D-Modellen aus Fotosammlungen an den Einsatz unter Tage adaptiert. Die Darstellung als 3D-Modell birgt für die Dokumentation und Präsentation untertägiger Hohlraumsysteme große Chancen.

Untertägige Objekte, wie Höhlen und Hohlräume des Altbergbaus, stellen im Gegensatz zu übertägigen Objekten besondere Anforderungen an eine dreidimensionale Erfassung, nicht nur durch den Wegfall der Nutzung von globalen Navigationssystemen (GPS, GLONASS, GALILEO). Der Zugang kann technisch schwierig und beengt sein, ebenso die Situation vor Ort. Die Objekte sind teilweise sehr verwinkelt, so dass sie für klassische optische Verfahren (wie Laserscanning oder die Tachymetrie) nur kurze Zielweiten zulassen. Einige Bereiche können wasserführend sein, Luftfeuchtigkeit und Temperatur können stark schwanken, was empfindliche Messinstrumente beeinträchtigt. Die Anbringung von Zielmarken ist ggf. durch Auflagen des Natur- und Denkmalschutzes nicht möglich. Eine Stromversorgung oder Beleuchtung ist vor Ort meist nicht vorhanden. Durch diese Besonderheiten ist u.a. auch die Verwendung großer Messinstrumente eingeschränkt.

Die Möglichkeit einer nahezu automatischen Rekonstruktion einer dreidimensionalen Punktwolke allein aus einer Menge von sich überlappenden Digitalfotos durch Software-Pakete wie Bundler  (SNAVELY et.al. 2006) bot sich als Ergänzung zu bisherigen Verfahren wie z.B. der Verwendung von Distometern mit Inklinationsmessung und Kompass zur Höhlenkartierung (HEEB 2008) oder Messungen mit klassischer Tachymetrie bzw. Laserscanning (für Präzisionsmessungen) an. Das Mitführen einer Digitalkamera mit Blitzgerät ist fast überall möglich. Daher wurden Experimente mit dieser Vorgehensweise in Höhlen und Bergbau-Objekten praktisch durchgeführt (HANNEMANN et.al. 2010), (HANNEMANN et.al. 2011).

Rekonstruktionsverfahren

Die für die Rekonstruktion verwendeten Algorithmen und Verfahren kommen ursprünglich aus der Computergrafik und Robotik. Ziel ist, aus bewegten Bildern heraus die geometrische Struktur der Umgebung abzuleiten. Dazu werden in aufeinanderfolgenden Bildern (einzeln aufgenommenen Fotos, oder aus Videos extrahierten Frames) gleiche Punkte gesucht. Hat man gleiche Punkte gefunden, kann unter Kenntnis der Kamerageometrie (Sensorgröße, Fokallänge, ...) die Positionen der gefundenen Punkte im dreidimensionalen Raum geschätzt werden.

Ähnliche Verfahren werden im Bereich der Photogrammetrie schon seit Jahrzehnten eingesetzt. Bei der Photogrammetrie werden kalibrierte, großformatige (und damit sehr teure) Kameras eingesetzt.

Die Verfahren aus der Computergrafik arbeiten mit normalen Consumer-Kameras. Dazu wird eine Serie von vielen Digitalfotos geschossen. Hierbei kommt es eher auf Masse als auf Klasse an, denn jeder Punkt, der hinterher rekonstruiert werden soll, muss auf mindestens drei Fotos von verschiedenen Standpunkten aus zu sehen sein.
Diese Fotoserie wird dann bei der vorgestellten Lösung mit der Open-Source-Software "bundler" (entwickelt von Noah Snavely an der University of Washington) prozessiert. Das Ergebnis der durch die Software durchgeführten "Bündelausgleichung" sind die rekonstruierten Kamerapositionen sowie eine erste Geometrierekonstruktion. Aus diesen Daten wird dann mit der Software PMVS2 (entwickelt von Yasutaka Furukawa und Jean Ponce, ebenfalls University of Washington) eine dichte Punktwolke berechnet. Aus der dichten Punktwolke werden dann mittels der Software MeshLab (entwickelt am Visual Computing Lab des Italian National Research Council) Oberflächen generiert. Die Oberflächen werden entweder aus der Punktwolke oder aus den originalen Fotos texturiert.

Neben dem hier dargestellten Ablauf mittels verschiedener Open-Source-Software gibt es alternativ u.a. einen für die Rekonstruktion archäologischer Stätten eingerichteten Web-Service "Arc3D" ( http://www.arc3d.be ) oder kommerzielle Desktop-Software wie "PhotoScan" (http://www.agisoft.ru/products/photoscan/ ).

Objekte

Die durch das Institut in (Teil-)Modellen aufgenommenen Objekte sind:

"Feuergezäher Gewölbe" im Besucherbergwerk Rammelsberg/Goslar

"Bielshöhle" in Rübeland

3D-Modell zur Ansicht in WebGL-fähigen Browsern

Radstuben der Grube "Thurm Rosenhof" in Clausthal-Zellerfeld

3D-Modell der Ovalen Radstube zur Ansicht in WebGL-fähigen Browsern

3D-Modell des Verbindungsganges zur Ansicht in WebGL-fähigen Browsern

Die Rosenhöfer Radstuben können seit kurzem jeden Samstag um 9 Uhr besichtigt werden. Nähere Auskünfte zur "Abenteuertour im Rosenhöfer Revier" erteilt das Oberharzer Bergwerksmuseum. Vorherige Anmeldung und gute körperliche Konstitution sind zwingend erforderlich.

Oberharzer Bergwerksmuseum
Web: http://www.bergwerksmuseum.de/
Telefon: 05323 98950
Telefax: 05323 989569
E-Mail: info@bergwerksmuseum.de 

Schachtplombe "Siebte Bühner Strecke/Marienschacht" in Clausthal-Zellerfeld

3D-PDF

Veröffentlichungen

TV-Beitrag in der Sendung „nano” (3sat) am 22. Mai 2012 unter dem Titel „3D leicht gemacht” (Video)

Hannemann, W.; Brock, T.; Busch, W.: Zustandsdokumentation ausgedehnter untertägiger Hohlraumsysteme. Vortrag und paper: LC3D-Workshop, Sensoren, Algorithmen, Anwendungen. 6. und 7. Dezember 2011, TU Berlin (PDF)

Hannemann, W., Brock, T., Busch, W., 2011: Fotobasierte 3D Zustands- und Geometriedokumentation altbergbaulicher Objekte. - Tagungsband 11. Altbergbaukolloquium, 3.-5. November 2011, TU Wroclaw, VGE Verlag GmbH, Essen, S. 34 - 45

Hannemann, W.; Hebel, H.-P.; Brock, T.: Kostengünstige Erstellung von 3D-Höhlenmodellen aus Digitalfotos. Vortrag 51. Jahrestagung des VdHK und Karstsymposium, Bad Segeberg, 11.-15. Mai 2011.

Hannemann, W.; Brock, T.; Hebel, H.-P.; Busch, W.: Photogrammetrische Hohlraumerfassung einer Radstube. In: Meier, G.; Sroka, A.; u.a. (Hrsg.): 10. Altbergbaukolloquium, 4.-6. November 2010, TU Bergakademie Freiberg, VGE Verlag GmbH, Essen, S. 43 - 57

Literatur

Furukawa, Y.; Ponce, J.: Accurate, Dense, and Robust Multi-View Stereopsis. In: IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. Minneapolis, MN : 2007. - ISBN 1-4244-1180-7

Heeb, B.: Paperless Caving - An Electronic Cave Surveying System. In: Proceedings of the 4th European Speleological Congress. Vercors, Frankreich : 2008

Kazhdan, M.; Bolitho, M.; Hoppe, H.: Poisson Surface Reconstruction. In: Proceedings of the fourth Eurographics Symposium on Geometry Processing. Cagliari, Italien : 2006

Lowe, D. G.: Distinctive image features from scale-invariant keypoints. In: International Journal of Computer Vision, Vol. 60/2, 2004. - ISSN 0920-5691

Snavely, N.; Seitz, St. M.; Szeliski, R.: Photo tourism: Exploring photo collections in 3D. In: ACM Transactions on Graphics, SIGGRAPH Proceedings. Boston, Massachusetts : 2006. - ISBN 1-59593-364-6

Kontakt

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch

Dipl.-Inf. Wilhelm Hannemann

Dipl.-Inf. Tilman Brock

 

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