Punktwolken und 3D Modelle aus Fotos erstellen und verwenden
- das war eine lange Zeit eine Vision von uns die aber mittlerweile Realität wurde.
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!
Was ist eine 3D-Rekonstruktion?
Objekte, die Sie physikalisch besitzen, Elemente, die Sie draußen auf der Straße sehen als 3D Modell in Farbe in Projekte einzubinden – vielleicht haben Sie bereits darüber nachgedacht – aber wie bitte, soll das gehen?
Thematisch geht es um das Erstellen von 3D-Modellen im Altbergbau aus Digitalfotos. Automatische 3D-Objektrekonstruktion aus unstrukturierten, digitalen Bilddaten für Anwendungen in Architektur, Denkmalpflege und Archäologie. Eine moderne Form des 3D-Scans ist „Structure from Motion“ (Kersten et al. 2012). Es werden hochaufgelöste 3D-Modelle aus einfachen Digitalfotos berechnet.
Digitale Rekonstruktionen historischer Gebäude: Hochwertige Bilder, Animationen und Realmodelle, innovative Produkte und Dienstleistungen für Hobby Archäologen und Montanhistoriker.
Mit der möglichen 3D-Rekonstruktion von zu prüfenden oder zu begutachtenden Teilen, können all diese Begutachtungen durchgeführt werden ohne das Teil in die Hand zu nehmen sofern es einmal zuvor rundherum abfotografiert wurde und dann in ein 3D-Modell berechnet wurde. Dieses Modell, ein detailgetreues Abbild des Reliktes kann dann beliebig gedreht, Vergrößert oder verkleinert werden. Das eventuell zerbrechliche Teil muss dafür nicht mehr in die Hand genommen werden. Die 3D-Objektkonstruktion via normaler Fotografien ist zukunftsorientierend. Wir forschen und optimieren schon seid 2003 mit der Erstellung von 3D-Modellen via Fotos. Wir wenden diese Methode bereits bei vielen Relikten an und haben zahlreiche 3D-Geometrieerfassungen durchgeführt. Virtuelle digitale historische geschichtliche 3D-Rekonstruktionen, 3D-Modelle, findet man bereits in vielen Berichten von uns. Nach dem Ausrichten und Skalieren der kalibrierten Szenen fällt die Integration von 3D-Elementen noch leichter, das ist optimierte 3D-Rekonstruktion. 3D-Rekonstruktion und archäologische Visualisierungen sind ein Schwerpunkt unserer Arbeit derzeit.
3D-Rekonstruktion von Altbergbau Stollen & Gebäuden
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.
Text von 2012:
Seid einigen Wochen beschäftigen wir uns intensiv mit der 3D Rekonstruktion von Objekten wie z.B. Bunkeranlagen, Splitterschutzzellen, U-Verlagerungen oder Altbergbaustollen. Die 3D-Rekonstruktion solcher Objekte ist sehr zeitintensiv und Bedarf einer Menge an Fingerfertigkeit und Geschicklichkeit. Für diese Art der Dokumentation Bedarf es vieler Programme und Hilfsmittel sowie einem extrem leistungsstarken Rechner mit großen Arbeitsspeicher ( > 12 GB ), schnellen Festplatten ( wie SSD ) und einen modernen schnellen Prozessor ( z.B. min. Intel Core i7 4-Kern oder höher ) sowie einer oder mehrerer Hochleistungsgrafikkarten wie z.B. der Nvida Quadro 4000 oder der neuen Radeon HD 7990. Für das generieren des Sogenannten Mesh-Gitters wird extrem viel Arbeitsspeicher benötigt. Bei Rekonstruktionen mit hochauflösenden und vielen Fotos benötigt man sehr viel Arbeitsspeicher. Bei z.B. 500 Fotos der Canon EOS 5D Mark III ( 21 Megapixel ) werden bereits 64GB Ram benötigt. Für 3D-Rekonstruktionen mit mehr als 1000 Fotos müssen bereits 128 GB Arbeitsspeicher vorhanden sein. Sind diese nicht vorhanden werden die Berechnungen abgebrochen oder das System versucht den Speicher auf die HDD's oder SSD's auszulagern. Diese, auch im Raid-System, werden sehr schnell Überlastet und können dann sehr schnell ausfallen!
Für unsere derzeitigen 3D Rekonstruktionen bzw. teils noch Versuche steht eine eigens zusammengestellte Grafikworkstation zur Verfügung. Diese verfügt über einen 6-Kern I7 Intel Prozessor und (derzeit 64GB - erweiterbar auf max. 128GB) Arbeitsspeicher sowie der HP NVIDIA Quadro 5000 und der Radeon HD 7990 Devil 13 von PowerColor. Die NVIDIA Quadro 5000 wurde 2014 durch eine NVIDIA Quadro 6000 ausgetauscht! Die Quadro 5000 fand dann in unserem normalen Desktop PC ihren festen Arbeitsplatz für die Bildbearbeitung sowie Videobearbeitung. Derzeit versuchen wir die Rechenleistung von unseren verschiedenen Rechner zusammenzufassen. Zudem überprüfen wir derzeit ein Angebot für eine NVIDIA Tesla High Performance Computing (HPC) und Supercomputing Grafikkarte. Die Tesla Grafikprozessoren können Petabytes von Daten bis zu 10x schneller verarbeiten als auf CPUs. Tesla Grafikprozessoren liefern enorme Leistung, um umfangreichere wissenschaftliche Simulationen schneller denn je zu berechnen. Die genaue Bezeichnung der Karte lautet: NVIDIA TESLA K20C mit 5GB und 2496 CUDA Einheiten. Besser noch wäre eine Dual-GPU Tesla K80 Highendkarte, der Preis bei dieser Karte liegt bei bei weit über 5000€
Wochenlang haben wir immer wieder neue Versuche unternommen um diese Art der Dokumentation für uns zu nutzen. Sehr oft verliefen diese Versuche "fast" alle erfolgslos. Bis wir endlich einen kleinen Durchbruch geschafft haben. Die Daten müssen aber noch für die Dokumentation im Internet oder für Präsentationen via PDF aufgearbeitet werden bzw. umgewandelt werden.
Mitte 2017 haben wir dann noch unseren alten Arbeitsrechner durch einen Eigenbau-PC ersetzt. Hier verbauten wir eine Intel Core™ i7 7800X und setzen den auf ein Asus Prime X299-A Mainboard welches bis auf 128GB Arbeitsspeicher aufgerüstet werden kann. Um ausreichende Kühlung zu Gewährleisten wurde das Corsair CC-9011034-WLED Carbide Series Air 540 Gehäuse ausgewählt. So war geben das auch die zwei neuen Nvidia Quadro M4000 8GB Grafikkarten stetig gut gekühlt werden. Durch zwei Samsung 960 PRO MZ-V6P512BW Interne Solid State Module von 512GB Größe können die 3D-Modelle schnell gelesen und geschrieben werden oder aber auch der Arbeitsspeicher ausreichend ausgelagert werden. So sind uns nun Berechnungen mit 5.000 oder sogar bis zu 10.000 Fotos möglich.
Sollten unsere Bemühungen erfolgreich verlaufen so werden wir einen High-Endserver mit extremer Rechenleistung benötigen und werden wohl zusätzlich auf Unterstützung angewiesen sein. Bei großen Objekten wo sehr schnell weit über 200 Fotografien notwendig sind sollte der Rechner mindestens 32 GB Arbeitsspeicher, besser sogar 64 GB, besitzen sowie zwei Grafikkarten ( wie die NVIDIA Quadro 4000 ) oder einer NVIDIA Quadro 5000 und ein RAID-Festplatten System für die Berechnung und Bearbeitung des 3D-Modelles. Anstelle der zwei NVIDIA Quadro 4000 Grafikkarten kann auch eine teure Nvidia Quadro 5000 zusammen mit einer Radeon HD 7990 eingesetzt werden. Diese Grafikkartenart ist speziell für 3D-Anwendungen und Berechnungen ausgelegt. Vorsicht jedoch einige 3D-Rekonstruktions Programme setzen diese Kartenart nicht zusammen ein. Vermutlich liegt es an einem Schnittstellen Problem der einzelnen Programme.
Unter anderem verwenden wir derzeit 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 verwenden wir folgende Programme und Tools:
