3D-Rekonstruktion im Altbergbau via normaler Fotos

Photogrammetrische 3D-Rekonstruktion im Bergbau / Altbergbau

Seid Mitte 2012 beschäftigen wir uns mit der Vision Stollen und auch ganze Stollensysteme in 3D-Modele umzuwandeln. Durch die 3D Rekonstruktion via normaler Fotos haben wir angefangen kleine Stollen zu 3D-Modellen umzuwandeln. Die Arbeitsbedingungen unter Tage sind oft extrem widrig. Durch das permanent eindringende Wasser aus dem Deckgebirge sowie den kaum zu beseitigenden Schlamm ist besondere Vorsicht beim Einsatz von vielen elektronischen Geräten geboten. Durch mehrere aufgenommene Fotos in Folge können Stollensysteme, Abbaukammern und vieles weitere in 3D-Modelle umgewandelt werden. Es entsteht nach und nach ein Altbergbau 3D Modell.

für Interessierte rund um die 3D-Rekonstruktion von Bergwerken bitte hier weiterlesen "Bergbau & Altbergbau in 3D" denn die nachfolgenden Texte sind aus der Vergangenheit wo die Rekonstruktion noch eine Vision wahr.

Die Anfänge der 3D-Rekonstruktion von Bergbau Objekten und Altbergbau Geländen sowie deren Stollensysteme:

3D Rekonstruktion von Altbergbau Stollen & Gebäuden

Fotobasierte 3D Rekonstruktion altbergbaulicher Objekte: Durch die 3D-Rekonstruktion können von Gebäuden Stollen, Abbauhallen und vielem weiteren naturnahe (mit Fototexturen berechnete) Modelle erstellt werden die dann ein komplettes Abbild des Objektes wiedergeben. Dieses errechnete 3D Modell kann gedreht, durchfahren und vergrößert oder verkleinert werden und ist ein ideale Unterstützung von einer Dokumentation oder Präsentation. Es gibt verschiedene Wege eine solche Rekonstruktion durchzuführen die jedes Mal andere Programme oder Daten benötigen. Zudem erzielen diese auch fast alle unterschiedliche Ergebnisse. Je nach Objekt müssen vom Objekt mehrere hundert Fotos angefertigt werden. Diese müssen alle bestimmt Kriterien erfüllen... auf die wir in kürze Näher eingehen werden.

Für die Rekonstruktion von 3D-Modelen per Photogrammetrie steht mittlerweile eine Reihe von Software-Tools zur Verfügung wie z.B. AgiSoft Photoscan, Reality Capture Beta, Autodesk ReMake oder das altbewährte MeshLab. Jede der Softwaren hat Vor-und Nachteile jedoch ist derzeit Autodesk ReMake z.B. für die Untertage Rekonstruktion völlig ungeeignet. Für ungeübte wird AgiSoft Photoscan die besten Ergebnisse liefern. Das Programm ist jedoch sehr rechenintensiv und benötig bei mehreren hundert Fotos weit über 32GB Arbeitsspeicher! Generell für die Erstellung von 3D-Modellen aus normalen Fotos über eine Auflösung von 1920x1080 ist ein moderner Intel I7 oder ein besser sogar zwei Intel Xeon Prozezzoren zu empfehlen. Ab 1000 Fotos macht die Berechnung ansonsten keinen Spaß mehr. Durch stetiges Aufrüsten und optimieren unserer Rechner sind wir mittlerweile in der Lage 3D-Rekonstruktionen aus bis zu 15.000 Fotos zu berechnen. Zwei Intel Xeon Prozessoren mit insgesamt 32 Kernen und einer NVIDIA Quadro 6000 im Verbund (SLI-Verbund) mit einer NVIDIA Quadro 5000 benötigen hierfür 14 Tage Berechnungszeit! Zudem steht ein Arbeitspeicher von 128GB und eine feste Auslagerungsdatei von 1TB auf einer M.2 SSD ( Lesegeschwindigkeit von bis zu 3.200MB/s und einer Schreibgeschwindigkeit von bis zu 1.500MB/s ) zur Verfügung. Ohne dem großen Arbeitsspeicher und dessen schnellen virtuellen Auslagerung auf bis zu 1TB der M.2 SSD wäre die Berechnung nicht möglich.

Unter anderem verwendeten wir folgende Programme für die 3D Rekonstruktion:

Open-Source-Software "bundler" (entwickelt von Noah Snavely an der University of Washington)
PMVS2 (entwickelt von Yasutaka Furukawa und Jean Ponce, ebenfalls University of Washington
MeshLab (entwickelt am Visual Computing Lab des Italian National Research Council)

Konkret verwendeten wir folgende Programme und Tools:

Camera Calibration Toolbox for MATLAB

Bundle2PMVS
libsiftfast
bundler
PMVS2
Meshlab
Poisson Surface Reconstruction
Meshlab Filter „Quadric edge collapse"
Graphite

Zur Darstellung in WebGL-fähigen Browsern (z.B. Mozilla Firefox oder Google Chrome) wird die Bibliothek three.js (https://github.com/mrdoob/three.js/blob/master/README.md) benötigt.

Die Bearbeitung und Berechnung für eine 3D Rekonstruktion via Fotos benötigt hohe Rechnerleistung und einen gigantisch großen Arbeitsspeicher. Nach und nach haben wir uns eine eigene Grafikworkstation aufgebaut die heute mit einen 12 Kern Prozessor und 64 Gigabyte Arbeitsspeicher arbeitet. Zur Berechnungen stehen zusätzlich 3 GPU's zur Verfügung die auf 2 Grafikkarten sind. Anfangs setzen wir eine Nvidia Quadro 4000 ein die dann durch eine Quadro 5000 ersetzt wurde. Seid Mitte 2014 wurde diese dann durch die Nvidia Quadro 6000 ersetzt und seit Mitte 2017 haben wir eine dritte Workstation mit der wir bis zu 15.000 Fotos berechnen können. Auf der nachfolgende Seiten werden die PC-Systeme kurz vorgestellt, hierzu einfach >>hier klicken<<<

Aus mehreren tausend Einzelfotos entstand ein digitales 3D-Modell eines Entwässerungsstollens:

Über 5.800 Fotos : 3D-Modell eines Entwässerungsstollens

Seit 2016 kommen immer mehr Programme sowie auch Hardwarelösungen auf dem Markt mit den man via Fotos oder Kameras präzise 3D-Modelle erstellen kann. Die Hardwarelösungen sind jedoch alle noch nicht für Stollensysteme geeignet. Mittlerweile, im Jahr 2017, gibt es sogar schon Handy-App's mit denen man durch aufgenommene Fotos 3D-Modelle erstellen und abspeichern kann. Diese Modele sind, man meint es nicht, doch sehr detailgetreu bereits. Wir haben viele der neuen Programme und auch Hardware Lösungen ausprobiert und haben das eine oder andere für gut befunden. Derzeit bleiben wir aber noch bei unserer altbewährten Software. Aber man erkennt nun Ende 2017 das sich die 3D-Rekonstruktion durchgesetzt hat. So wie wir es bereits 2012 ganz klar schrieben. Es bleibt gespannt wie sich der Trend weiterentwickelt. Es wird sicher bald ein Handgerät geben mit dem man ohne Probleme und Mühen ganze Stollensysteme erfassen kann. Eins ist jedoch klar die Berechnungen werden weiterhin extreme Rechenleistungen benötigen. Wir freuen uns jedenfalls das sich immer mehr Leute in der Altbergbauforschung damit beschäftigen, diskutieren und austauschen. Im Forum der GAG kann man hierzu einiges nachlesen -> https://forum.untertage.com/viewtopic.php?f=2&p=117908 und auch https://forum.untertage.com/viewtopic.php?t=7654.