Wie vor Jahren die Fotografie ist inzwischen auch 3D-Scanning, umfassender als Reality Capture bezeichnet, für Verbraucher und kleine Unternehmen erschwinglich geworden. Während hochwertige professionelle 3D-Scanner weiterhin teurer sind, kommen für günstige 3D-Erfassung häufig zwei Technologien zum Einsatz: 3D-Scanning mit Tiefensensoren und Fotogrammetrie mit einer gewöhnlichen Kamera und spezieller Software.
Wie bei der Fotografie reichen Scanner und Software für Hobbyzwecke möglicherweise aus, liefern aber nicht die besten Ergebnisse. Wer professionell scannen möchte, muss sein mobiles oder festes Scanstudio um etwas Ausrüstung ergänzen. Glücklicherweise gibt es diese zu Preisen, die zur erschwinglichen Scan-Hardware und -Software passen.
Erschwinglich bedeutet in diesem Beitrag eine Investition von höchstens $1000 in Hardware und Software, ohne den vermutlich bereits vorhandenen Computer oder das Tablet.
Weiter unten finden Sie eine Auswahl wichtiger Produkte, die ich selbst für viele Aufnahmen dieser Website verwende. Ich habe auch nach günstigen Angeboten gesucht, damit Sie das nicht tun müssen.
Falls noch nicht geschehen, wählen Sie zuerst die gewünschte Erfassungstechnologie.
Tiefensensor-Scanning
vs. Fotogrammetrie
Die Entscheidung zwischen Tiefensensor und Fotogrammetrie ist nicht einfach. Ich empfehle, dass Sie mit beiden Ansätzen Erfahrungen sammeln, damit Sie ein gutes Gefühl dafür entwickeln, welche Technik für das jeweilige Projekt am besten passt. Als Hilfe habe ich die Unterschiede zusammengefasst:
Einen Tiefensensor für 3D-Scanning verwenden
Schauen wir zunächst, wie das in der Praxis und in einem typischen Tiefensensor-Scanprogramm aussieht:
Wenn Sie völlig neu im 3D-Scanning sind und wenig allgemeine Technik- oder Fotografieerfahrung haben, würde ich mit einem Sensor beginnen. Die Scanqualität ist nicht die höchstmögliche, doch die Ergebnisse sind leichtgewichtig: kleine Dateien und geringer Speicherbedarf. Das eignet sich für viele Echtzeit-3D-Anwendungen. Die Hardware ist narrensicher, die Software sehr benutzerfreundlich. Der Hintergrund hinter dem Objekt spielt keine Rolle, und eine interaktive Fortschrittsvorschau zeigt den Scan. Eine typische Aufnahme dauert weniger als zwei Minuten und eignet sich deshalb besonders für günstige Personenscans. Auch die Verarbeitung geht schnell, sodass kein besonders schneller Computer oder Tablet nötig ist.
Typische Anwendungen sind Personen und Körperteile für Ästhetik oder Messungen, Objekte als polygonarme Assets für Spiele und VR-/AR-Erlebnisse, sowohl als Referenz als auch zur tatsächlichen Nutzung, sowie Räume, allerdings nur für Messungen.
Unten das Sense-2-Ergebnis aus dem Video oben. Über das Zahnrad und Rendering > MatCap sehen Sie die Geometrie ohne Texturen.
https://sketchfab.com/models/d7cf68c659fe4d40b95b1c40f8e7ff1e
Fotogrammetrie mit einer Kamera
Mit Fotogrammetrie können Sie experimentieren, wenn Sie Erfahrung mit Fotografie und manuellen Kameraeinstellungen haben, auch bei geplantem Smartphoneeinsatz, und wenn Sie anfängliche Fehlschläge akzeptieren. Die Lernkurve ist vorhanden. Mit etwas Erfahrung lassen sich aber beeindruckend texturierte 3D-Modelle erzeugen. Objektgröße und Aufnahmebereich sind im Wesentlichen dadurch begrenzt, was sich physisch fotografieren lässt. Mit passender Kamera und Objektiv reicht das vom Spielzeug bis zur großen Statue. Mit einer Kameradrohne können sogar ganze Gebäude erfasst werden.
Fotogrammetrie ist kein Allheilmittel der 3D-Erfassung. Sie braucht Objekte oder Umgebungen mit vielen sichtbaren Details und verträgt Bewegung weder am Motiv noch im Hintergrund gut. Menschen mit einer einzelnen Kamera aufzunehmen ist deshalb keine gute Idee: Sie können nicht lange genug absolut stillstehen. Auch Objekte mit vielen großen ebenen Flächen wie Möbel sind ungeeignet.
Typische Anwendungen sind Statuen jeder Größe, etwa Kulturerbe oder Spielzeug, organische Objekte für Archäologie und Naturdokumentation, hochwertige 3D-Assets für Spiele und VFX sowie Luftbildvermessung.
Unten das Ergebnis der obigen Fotoserie, verarbeitet mit der kostenlosen Version von Autodesk ReMake in Standardqualität. Über Zahnrad und Rendering > MatCap sehen Sie wieder die Geometrie ohne Texturen.
https://sketchfab.com/models/3763dc4299274c999d7210e63b751065
Welche Fotogrammetrie-Software sollte ich verwenden?
Da es hier um Erschwinglichkeit geht, beginnen wir mit drei KOSTENLOSEN Lösungen, alle auf höchstens 50 Fotos begrenzt. Das reicht gerade für die meisten kleinen bis mittelgroßen Objekte:
- Autodesk ReCap Photo, früher ReMake/360, wird inzwischen als Teil des ReCap-Pro-Pakets statt separat angeboten. Frühere Versionen beschränkten zentrale Funktionen wie Nachbearbeitung und Bereinigung. Die Testversion gibt jetzt den vollständigen Werkzeugsatz für 30 Tage frei.
- ReCap Photo wird als industrielle Reality-Capture-Software vermarktet, bietet aber viele Foto-zu-Modell-Funktionen für alle Erfahrungsstufen. Wer mehr Fotos lokal auf einem Rechner mit schneller Nvidia-Grafik in höherer Qualität verarbeiten möchte, braucht Pro. In den USA kostet das $50 monatlich oder $380 jährlich, in Europa €54 monatlich oder €441 jährlich.
- 3DF Zephyr war ursprünglich ausschließlich kostenpflichtig, bietet inzwischen aber ebenfalls eine Gratisversion. Die Windows-Anwendung verarbeitet nur lokal. Sie läuft auf einem Mittelklasserechner; ein schneller Computer mit einer modernen Nvidia-Grafikkarte beschleunigt sie jedoch deutlich. Für bis zu 500 Fotos erhalten Sie die Lite-Version zum einmaligen Preis von €199. Die Vollversion mit erweiterten GIS-, CAD- und Vermessungswerkzeugen kostet €250 pro Monat.
Wenn kostenpflichtige Software infrage kommt, gibt es außerdem:
- Agisoft Metashape, früher PhotoScan, ist für Windows, Mac und Linux erhältlich und unterstützt verschiedene OpenCL-Grafikkarten. Standard für $179 verarbeitet eine unbegrenzte Anzahl von Fotos. Wie viele davon praktisch nutzbar sind, hängt jedoch stark vom RAM Ihres Computers ab.
- Capturing Reality RealityCapture ist für Windows verfügbar und überrascht durch enorme Geschwindigkeit. Was andere Programme in Stunden berechnen, gelingt RealityCapture in Minuten. Es ist weniger RAM-hungrig als Metashape, benötigt aber zwingend eine Nvidia-GPU. Sie können jeweils Guthaben im Wert von $10-20 nachkaufen oder eine unbegrenzte Lizenz für $3,750 erwerben.
Ausführlichere Vor- und Nachteile, wenn Sie Zeit haben
Vor- und Nachteile von Tiefensensoren für 3D-Scanning
+ Einfacher Einstieg
Ein Tiefensensor ist meiner Meinung nach der einfachste Einstieg ins 3D-Scanning. Der interaktive Ablauf verlangt wenig technisches Wissen. Unten sehen Sie ein Beispiel des realen Scanvorgangs und der Ansicht auf Laptop oder Tablet.
+ Kein Aufwand mit dem Hintergrund
Ein Tiefensensor erfasst tatsächlich Tiefe. Die Software kann deshalb nur Objekt oder Person aufnehmen und den Hintergrund ignorieren. Dieser ist somit völlig unwichtig; selbst Menschen dürfen sich dort bewegen.
+ Interaktive Fortschrittsvorschau
Alle Tiefensensor-Programme legen eine Erfassungsvorschau über das Kamerabild. So sehen Sie genau, welche Bereiche bereits gescannt sind, und können alles abdecken, um ein Modell ohne Löcher zu erzeugen. Für 3D-Druck ist das besonders wichtig.
+ Schnelle Ergebnisse
Ein Objekt oder eine Person ist gewöhnlich innerhalb von zwei Minuten erfasst. Die Verarbeitung hängt von Software und Computer ab, dauert aber meist ebenfalls nur Minuten.
+ Standardmäßig maßstabsgetreu
Tiefensensoren sind ab Werk kalibriert und kennen die Objektentfernung genau. Ihre Scans eignen sich meist gut für interaktive Messungen, die keine industrielle Genauigkeit unterhalb eines Millimeters brauchen.
– Draußen eingeschränkt
Die meisten Tiefensensoren verwenden einen kleinen Infrarotlaserprojektor. Sein Licht ist für Menschen unsichtbar, was angenehm und sicher ist. Der Projektor ist jedoch viel schwächer als andere Infrarotquellen, etwa die Sonne. An stark bewölkten Tagen kann Scannen möglich sein, direktes Sonnenlicht stört die Tiefenerfassung aber deutlich.
– Begrenzte Reichweite & Objektgröße
Es gibt unterschiedliche Tiefensensoren. Die hier behandelten sind Nahbereichssensoren. Je nach Gerät erfassen sie Objekte ab 20-40 cm bis zu 100-300 Metern Entfernung. Damit beschränkt sich ihr Einsatz auf mittelgroße bis große Objekte und Personen. Eine Höhe von 40 – 250 cm halte ich für ideal bei Tiefensensormotiven.
– Begrenzte Scanqualität
Ein Tiefensensorscan niedriger Qualität kann somit polygonarme 3D-Modelle liefern. Deren Qualität hängt stark von der Kameraauflösung ab. Ohne zu technisch zu werden: Eine schwarzweiße Infrarotkamera erfasst die projizierten Muster, eine RGB-Farbkamera die Texturinformationen. Jede Sensorgeneration verbessert sich, erreicht aber nicht die Qualität einer eigenen Digitalkamera für Fotogrammetrie.
Ein Tiefensensorscan lässt sich als polygonarmes Modell betrachten. Er ist vielleicht nicht das beste Scanergebnis, eignet sich wegen seiner geringen Datenlast aber ideal für Echtzeit-3D: Sketchfab, VR/AR, Körpermessungen und kleinen dekorativen 3D-Druck, etwa Miniaturen aus vollfarbigem Sandstein.
Vor- und Nachteile der Fotogrammetrie
+ Die Größe spielt keine Rolle
Je nach Kamera erfassen Sie Objekte vom kleinen Spielzeug bis zur großen Statue. Mit Drohnenfotos sind auch sehr große Motive möglich. Bei sehr kleinen Dingen müssen Sie auf die Schärfentiefe achten. Idealerweise ist alles scharf, was bei Makrofotografie unmöglich ist. Schärfentiefen-Bracketing könnte hier helfen.
+ Sehr gute Geometriequalität möglich
Mit einem scharfen Objektiv und vielen Megapixeln kann Fotogrammetrie unglaublich detaillierte Ergebnisse nahe professionellen 3D-Scannern erreichen. Das hängt jedoch stark von den sichtbaren Details des Objekts ab.
+ Stets beeindruckende Texturqualität
Selbst gegenüber den teuersten industriellen Scannern zeichnet Fotogrammetrie die Texturqualität aus. Sie kann weniger detaillierte Geometrie ausgleichen und spezielle Karten wie Normal- und Displacement-Maps erzeugen, die Modelle ohne zusätzliche Geometrie realistischer wirken lassen.
– Erfahrung erforderlich
Ich bekomme viele E-Mails von Menschen, die einige Fotos, teilweise nur 4, in Fotogrammetrie-Software laden und sich über enttäuschende Ergebnisse beschweren. Zuerst müssen Sie das Verfahren verstehen und wissen, wie Sie Bilder für die Auswertung durch einen Computer aufnehmen. Das hat oft wenig mit menschlicher Logik zu tun. Selbst nach Hunderten Fotoserien und Tests fast aller Programme verbessere ich meine Bildsätze mit jedem Projekt. Das Problem: Bei der Aufnahme erhalten Sie fast keine Rückmeldung. Nicht alle späteren Verarbeitungsprobleme lassen sich einfach beheben.
Erfahrung betrifft aber nicht nur das Fotografieren. Für beste Qualität müssen Sie auch lernen, wie Einstellungen das Verhältnis von Qualität und Rechenzeit beeinflussen. Das zählt besonders bei professionellen Dienstleistungen oder begrenzter Rechenleistung.
– Langsam
Ein Mehrkameraaufbau ist zwar der schnellste Weg zur 3D-Erfassung von Objekten und Personen. Mit nur einer Kamera braucht es jedoch Zeit und Geduld. Ein Stativ ist Pflicht, und für gute Bilder sind teils längere Belichtungen nötig. Schon für kleine bis mittlere Objekte brauchen Sie mindestens 40-50 Fotos aus verschiedenen Winkeln.
Die Fotoverarbeitung kann ebenfalls lange dauern. Abhängig von Bildanzahl, Bildgröße und Computer sind mehrere Stunden Wartezeit nicht ungewöhnlich. Manche Programme beanspruchen so viele Ressourcen, dass sich der Rechner nebenbei nicht nutzen lässt. Viele moderne Anwendungen sind immerhin GPU-beschleunigt. Eine oder mehrere Grafikkarten können die Algorithmen stark beschleunigen; meist ist Nvidia die beste oder einzige Option.
Das Geschwindigkeitsproblem wird künftig kleiner, weil Algorithmen effizienter und Computer schneller und günstiger werden. Doch derzeit gilt: Geduld ist eine Tugend.
– Bewegung ist problematisch
Die meisten Algorithmen vertragen bewegte Objekte im fernen Hintergrund, können aber schon bei kleinen Bewegungen größerer Objekte oder Menschen stark scheitern. In schwierigen Fällen lassen sich störende Elemente vor der Verarbeitung maskieren. Auch das kostet Zeit.
– Nicht standardmäßig maßstabsgetreu
Die meisten Programme schätzen die Modellgröße aus Kamera- und Objektivdaten. Es bleibt aber eine Schätzung. Nehmen Sie deshalb Referenzmaße am Objekt auf oder legen Sie etwas mit bekannter Größe in die Szene, um das Modell später zu skalieren.
Grundausrüstung für Ihr
3D-Scanstudio
Nachdem Sie sich für Sensor oder Fotogrammetrie entschieden haben, zeige ich weitere Hardware, die aus einem Hobbyscan ein überzeugendes Ergebnis machen kann.
1. Licht, Licht & Licht
Industrielle 3D-Scanner besitzen gewöhnlich eine integrierte LED-Lichtquelle, günstige Infrarot-Tiefensensoren dagegen nicht. Daher hängt die Scanqualität stark vom Licht ab. Für Fotogrammetrie ist die Lösung einfach: draußen aufnehmen, möglichst bei bedecktem Himmel für weiches Licht. Auch Scanner mit sichtbarer Laserlinie können draußen funktionieren. Bei unsichtbarem Infrarotlicht sind Sie dagegen auf Innenräume angewiesen.
In vielen Fällen möchten Sie ohnehin drinnen arbeiten, um das Licht zu kontrollieren. Dann lohnt Studiobeleuchtung mit Dauerlicht für Videoproduktion statt Fotoblitzen. Sets enthalten meist 3 Lampen mit Softboxen auf Stativen. Je nach Budget wählen Sie LED oder günstigere Leuchtstofflampen. Die benötigte Lichtmenge hängt vom Motiv ab. Achten Sie auf 5500 Kelvin, also Tageslicht.
Ich beleuchte meine Scanmotive hauptsächlich auf drei Arten:
Kleines Lichtset
Ein gut transportierbares Set, meist mit Tragetasche, besteht aus zwei oder drei kleinen schirmartigen Softboxen mit je einer Lampe. Es eignet sich für kleine Objekte wie den häufig im Blog gezeigten Teddy.
Meines steht meist in einer Büroecke und dient auch für die meisten Fotos dieser Website.
Großes Lichtset
Ich habe außerdem ein größeres Set mit 5 einzeln schaltbaren Lampen und insgesamt 2500 Watt Lichtleistung. Eine Tasche liegt bei, doch ich nenne sie nicht ohne Grund „Body Bag“. Deshalb nutze ich dieses Set nur im Studio und meist für Ganzkörperscans.
Vielleicht ersetze ich es irgendwann durch LEDs. Das wäre deutlich leichter und stromsparender. Im animierten GIF im Drehtellerabschnitt sehen Sie das Set im Einsatz.
Mobiles LED-Licht
Für vollständig mobilen Einsatz mit Structure Sensor können Sie ein kleines LED-Licht kaufen, das hinten ans iPad, in die Kopfhörerbuchse oder ans Stativgewinde passt. Bei ungeplanten Aufnahmen mit schlechtem Licht hilft es. Structure Sensor und solch ein Licht liegen immer in meiner Tasche. Perfekt ist es nicht: Farbtexturen werden meist in einem größeren Winkel erfasst, als die Lampe ausleuchtet. Außerdem müssen Sie den Abstand konstant halten, um zusätzliche Beleuchtungsunterschiede zu vermeiden. Besser als nichts ist es dennoch.
LED an der Kopfhörerbuchse eines iPads für Scans mit Structure Sensor (Test).
LED am Stativgewinde des Sense 2 (Test), befestigt mit dem beiliegenden Adapter.
2. Ein Drehteller
Ein Drehteller erspart das Umrunden des Motivs. Das bedeutet außerdem, dass weniger Platz und weniger Lichtquellen nötig sind. Manche Scanner können dabei sogar fest montiert bleiben.
Kleiner manueller Drehteller für Tiefensensoren
Beim Scannen kleiner bis mittelgroßer Objekte mit Structure Sensor, Sense 2 oder professionellem Handscanner liefert ein manueller Drehteller meist bessere Ergebnisse, besonders bei der Texturqualität. Das Objekt lässt sich langsamer und kontrollierter bewegen, was Bewegungsunschärfe in der Farberfassung reduziert.
Der Scanner kann dabei auf einem Stativ stehen oder in der Hand bleiben. Hände und Arme sollten möglichst außerhalb des Bilds bleiben, um das Tracking nicht zu stören.
Intelligenter automatischer Drehteller für Fotogrammetrie
Dieses Gerät begeistert mich so sehr, dass ich einen ganzen Test darüber geschrieben habe. Der Foldio360 für $139 ist eigentlich für 360-Grad-Produktfotografie gedacht, eignet sich aber auch hervorragend zur Automatisierung der Fotogrammetrie kleiner und mittelgroßer Objekte. Eine iOS- oder Android-App steuert ihn per Bluetooth. Sein Infrarotsender kann DSLR-Kameras fast aller Marken auslösen. Er gehört inzwischen zu meinem festen Fotogrammetrie-Aufbau für kleine Objekte.
Großer automatischer Drehteller für Tiefensensoren
Für größere Objekte oder Menschen brauchen Sie etwas Robusteres. Ich besitze einen elektrischen Drehteller des niederländischen Herstellers Pre-Motion, der bis zu 100 Kilogramm trägt. Es gibt zwei Varianten mit festen Geschwindigkeiten. Beide habe ich getestet; die langsamere mit 0.8 RPM funktioniert gut für 3D-Scanning. Ich ergänzte einen einfachen Fußschalter im Stromkabel. So kann ich zunächst Vorderseite und Kopf einer Person in Ruhe aufnehmen und dann mit dem Fuß die Drehung für den Rest starten. Das GIF unten läuft mit 4-facher Geschwindigkeit. Ein solcher Drehteller ist weder besonders günstig noch mit 15.5 Kilogramm besonders leicht. Wenn Menschen auf etwas Rotierendem stehen, sollte es aber ordentlich sein, oder?
3. Marker
Um Geometrie aus mehreren Blickwinkeln nahtlos zusammenzufügen, nutzen alle 3D-Erfassungsprogramme Merkmalserkennung und Tracking. Manche verwenden nur Geometrie aus der schwarzweißen Tiefenkarte, andere zusätzlich Farbe, genannt RGB+Depth-Tracking. Die erste Methode könnte deshalb einen vollkommen glatten Globus nicht erfassen, weil eine Kugel geometrisch gleichförmig ist. Die zweite könnte es, da sie die einzigartigen Merkmale des Aufdrucks erkennt.
Beim RGB+Depth-Scannen lassen sich die meisten Trackingprobleme durch eindeutige visuelle Merkmale am Objekt lösen. Einige Scanner liefern Markeraufkleber mit, meist werden aber beliebige kontrastreiche Aufkleber erkannt. Ich habe immer einige Packungen kleiner fluoreszierender Avery-Aufkleber aus dem Bürohandel dabei. Wenn Sie auch Farbe erfassen, platzieren Sie die Marker so, dass sie später leicht aus der Textur retuschierbar sind. Photoshops Reparaturpinsel erledigt das meist schnell.
4. Mattierungsspray
Sowohl Scannerhardware als auch Fotogrammetrie-Software beruhen auf einer Form maschinellen Sehens. Entweder projizieren sie sichtbares oder unsichtbares Licht und nehmen es mit einer Kamera auf, oder Algorithmen schätzen Tiefe aus Bildern. Der Computer versucht in jedem Fall, das Gesehene zu verstehen. Einige für Menschen selbstverständliche Eigenschaften versteht er noch nicht gut: Transparenz und spiegelnde Reflexion.
Durchsichtige und glänzende Objekte lassen sich deshalb nicht unverändert dreidimensional erfassen. Wenn nur die Geometrie und nicht die Ästhetik zählt, hilft es, das Objekt undurchsichtig und matt zu machen. Ein helles Mattierungsspray erledigt das meist vorübergehend. Spezielle 3D-Scansprays existieren, aber auch günstige Produkte können genügen: Kreidespray, wasserlöslicher Sprühkleber oder sogar Haarspray. Verwenden Sie diese jedoch nicht auf empfindlichen Materialien.
Bei Menschen verursachen glänzende Gegenstände wie Brillen Probleme. Wer immer eine Brille trägt, kann ohne sie gescannt werden; anschließend ergänzen Sie sie digital. Dafür braucht es ein Brillenmodell, das separat ebenfalls schwer zu scannen ist. Viele Marken und Modelle gibt es zum Glück auf 3D-Stockseiten wie Turbosquid zu vernünftigen Preisen. Achten Sie nur darauf, dass das Dateiformat mit Ihrer Modellierungssoftware kompatibel ist.
5. Ein Sketchfab-Konto
Wenn Sie Ihre Scans mit der Welt teilen möchten und nicht genug Geld haben, alle zu drucken und an Freunde und Familie zu verschicken, gibt es einen stilvollen Weg: Sketchfab. Die Website wurde rasch zum YouTube für 3D-Modelle und macht Veröffentlichung und Teilen im Web, in sozialen Medien und sogar Virtual Reality einfach. Dazu schrieb ich ein Tutorial. Manuelle Uploads sind meist nicht nötig, weil fast jede Scan- und Fotogrammetrie-Software direkt zu Ihrem Sketchfab-Konto veröffentlichen kann.
Die Nutzung ist kostenlos. Wenn Sie Ihre Arbeit ernst nehmen und die Entwicklung dieses guten Dienstes unterstützen möchten, empfehle ich aber das Pro Konto. Am häufigsten verwende ich dort private Veröffentlichung und einen besser zur eigenen Marke passenden Hintergrund. Ja, auch auf Sketchfab können Sie mir folgen. Einige meiner Scans überschreiten außerdem das 50MB-Dateilimit der Gratisversion.
https://sketchfab.com/models/5d9045be3b4a427cb2e5577bf23e1027
Danke fürs Lesen. Ich hoffe, der Beitrag hilft Ihnen beim Einstieg ins 3D-Scanning, den ich Ihnen empfehle. Wenn auch Freunde und Follower davon profitieren könnten, teilen Sie ihn über die Schaltflächen in Ihrem bevorzugten sozialen Netzwerk. Sie finden diese links am Desktop oder unter dem Beitrag auf Mobilgeräten.
