Das 3D-Scanner-Praxisbuch

2

Viele Wege führen zum Ziel

Es gibt unterschiedliche Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten, doch keines davon ist die »eierlegende Wollmilchsau«. Jedes dieser Verfahren hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Dies beginnt beim Anschaffungspreis und geht bis hin zu physikalischen Einschränkungen.

Begeben Sie sich also in die Welt des 3D-Scannens, so sollten Sie sich darüber klar sein, dass bisher kein Gerät das gewünschte Objekt auf Knopfdruck vollautomatisch perfekt digitalisiert. Für ein gutes Ergebnis wird immer etwas Vor- und Nachbereitung nötig sein.

Da jedes Verfahren Stärken und Schwächen hat, sollten Sie sich vorher genau überlegen, welche Ziele Sie mit einem 3D-Scan verfolgen. Die Wahl des geeigneten Verfahrens hängt oft vom Anwendungsfall ab. So verfolgt man mit dem Scan einer Person etwa ein anderes Ziel als mit dem Scan eines winzigen Insekts. Bei dem einen 3D-Scan genügt etwa eine mittlere bis grobe Detailstufe, wohingegen bei anderen Anwendungsfällen Details bis im Zehntelmillimeterbereich und kleiner nötig sind.

Generell werden die Verfahren in zwei Klassen kategorisiert, in kontaktbasierte und nichtkontaktbasierte Verfahren. Die kontaktbasierten Verfahren beschreibe ich in Kapitel 2.1 genauer. Wie der Name schon verrät, wird das Objekt bei diesen Verfahren haptisch abgetastet.

Die verbreiteteren Verfahren sind jedoch die nichtkontaktbasierten Verfahren, weiter unterteilt in aktive und passive Verfahren. In Kapitel 2.2 stelle ich einige der häufigsten nichtkontaktbasierten aktiven Verfahren vor, während sich Kapitel 2.3 um die wichtigsten nichtkontaktbasierten passiven Verfahren dreht.

Da es in diesem Buch eher um die praktische Anwendung geht und die folgenden Ausführungen nur einen Überblick über die unterschiedlichen Techniken bieten sollen, verzichte ich auf die exakte mathematische Beschreibung der eingesetzten Algorithmen.

2.1Kontaktbasierte 3D-Scan-Verfahren

Bei kontaktbasierten 3D-Scan-Verfahren werden einzelne Punkte am Objekt über eine mechanische Messvorrichtung erhoben.

Diese Art der Punktvermessung ist nicht neu und findet bis heute in einem der ältesten Handwerke der Welt noch immer Verwendung: der Bildhauerei. Erste Aufzeichnungen von Geräten zur mechanischen Punktvermessung stammen aus dem Jahr 1435. Nicolas-Marie Gatteaux (1751-1832) und John Bacon der Ältere (1740-1799) gelten als Erfinder sogenannter »Punktiergeräte«.

Drei-Zirkel-Methode (Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carradori_IX.jpg)

Steinmetz- und Bildhauerwerkzeug zum Übertragen von Punkten von einer Vorlage auf das Werkstück (Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atelier_de_sculpture-Cath%C3%A9drale-Strasbourg.jpg)

Schon im Mittelalter verwendeten Steinmetze und Bildhauer Geräte zur punktgenauen Vermessung. Die als »Punktiergerät« bezeichneten Apparate basieren auf dem Prinzip des stereometrischen Gesetzes. Dabei werden drei Fixpunkte sowohl am Modell als auch am Werkstück bestimmt. Auf diesen Punkten wird das Punktierkreuz so positioniert, dass die verschiebbare Nadel jeden Bereich des Objekts erreichen kann. Mittels des Gestänges und der beweglichen Nadel kann der Bildhauer am Objekt Maß nehmen und so bestimmen, wie viel Material am Werkstück noch entfernt werden muss. Durch Wiederholen des Prozesses nähert sich der Bildhauer langsam dem gesuchten Punkt am Werkstück. So kann die Vorlage Stück für Stück auf das Werkstück übertragen werden, bis eine exakte Kopie entstanden ist.

In der heutigen Zeit werden für derartige Vermessungen moderne Koordinatenmessgeräte eingesetzt. Diese sind CNC-gesteuert und verfügen über ein zur Messung räumlicher Koordinaten geeignetes Messsystem. Meist besteht das Messsystem aus einem schaltenden oder messenden Sensor. Der Sensor tastet systematisch das Objekt ab und erzeugt so wiederum eine Punktwolke. Koordinatensysteme sind hoch präzise und werden deshalb häufig in der Industrie zur Qualitätssicherung von industriell gefertigten Bauteilen verwendet. Dabei wird das Objekt nach der Fertigung mit einem CNC-gesteuerten Messkopf vermessen. Anschließend werden die gemessenen Daten mittels geeigneter Software mit der CAD-Konstruktion verglichen.

Haptisches CNC-Messsystem für die industrielle Anwendung (Quelle: https://it.m.wikipedia.org/wiki/Macchina_di_misura_a_coordinate)

Im Gegensatz zu optischen Verfahren hat ein Koordinatenmessgerät keine Probleme mit reflexiven oder transparenten Objektoberflächen, da die Oberfläche haptisch und nicht optisch abgetastet wird. Dieser Prozess wird häufig in der Industrie verwendet. Vor allem kann auf diese Weise ein Bauteil nach der Fertigung einer Qualitätskontrolle unterzogen werden. So lassen sich zum Beispiel die Fertigungstoleranzen durch Vermessen des gefertigten Teils ermitteln. Auch zum sogenannten »Reverse Engineering« lässt sich diese Art der Vermessung verwenden.

Abgesehen von den Kosten für eine solche Maschine bringt dieses Verfahren weitere Nachteile mit sich. Durch den Kontakt der Messeinheit mit dem Objekt kann dieses verändert oder sogar beschädigt werden, was bei historischen Artefakten natürlich ein Problem darstellt. Hinzu kommt, dass ein kontaktbasierter 3D-Scan-Vorgang verglichen mit optischen Verfahren sehr langsam arbeitet. Und eine Erfassung der Textur oder Farbgebung des Objekts ist ohne weitere Hilfsmittel nicht möglich.

Do-It-Yourself-3D-Tastsensor (Quelle: http://www.machschmidt.de/html/3d-taster.html)

Koordinatenmessgeräte werden in diesem Buch nicht weiter behandelt, da sie für die Maker-Werkstatt zu aufwendig und durch ihren hohen Anschaffungspreis eher uninteressant sind. Dennoch existieren im Netz einige ambitionierte Do-It-Yourself-Ansätze zum Nachbau solcher Messsysteme. Bildbasierte Verfahren bieten aber einen wesentlich schnelleren Einstieg in die Welt des 3D-Scannens und werden im nächsten Unterkapitel etwas ausführlicher behandelt.

2.2Nichtkontaktbasierte aktive 3D-Scan-Verfahren

Bei den nichtkontaktbasierten aktiven 3D-Scans kommt sogenannte »strukturierte Beleuchtung« zum Einsatz. Deshalb werden diese Verfahren auch oft unter dem Begriff »Structured Light« zusammengefasst. Eine strukturierte Beleuchtung kann durch Hilfsmittel wie Laser und Projektoren erreicht werden. Typische Verfahren sind dabei Time-of-Flight, Laser- und Streifenlicht-Scanner. Mit dieser Beleuchtung lassen sich beliebige Merkmale auf dem Objekt erzeugen. Im einfachen Fall genügt eine projizierte Linie. Komplexere aktive Beleuchtung entsteht über Projektoren. Nicht in jedem Fall muss die Beleuchtung dabei für das menschliche Auge sichtbar sein. So verwenden viele Tiefensensoren beispielsweise Licht im Infrarotbereich.

Einsatz der Triangulation zur Entfernungsmessung, Kupferstich von 1607 (Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotothek_df_tg_0000004_Geometrie_%5E_Vermessung_%5E_Winkelmesser.jpg)

All diese Verfahren nutzen zur Berechnung der 3D-Koordinaten das Prinzip der Triangulation. Dabei bilden Lichtquelle, Kamera und das Objekt die Ecken eines gedachten Dreiecks. Über dieses Dreieck lassen sich die Raumkoordinaten einzelner Punkte auf dem Objekt berechnen. Dabei werden eine oder mehrere unbekannte Größen innerhalb des Dreiecks mithilfe der Trigonometrie ermittelt. Bei diesen Größen handelt es sich zum Beispiel um Winkel, Seitenlängen, Schnittpunkte und andere.

Prinzip der Triangulation

2.2.1Laserscanner

Bei Laserscannern kommen ein oder mehrere Laser als Lichtquelle zum Einsatz. Der Laser projiziert ein Muster auf das Objekt. Bei fast allen Laserscannern für den Heimgebrauch wird durch eine entsprechende Linse eine Laserlinie erzeugt. Die Laserlinie trifft entweder horizontal oder vertikal auf das Objekt, welches sich in der Regel auf einem Drehteller vor der Kamera befindet. Laser und Kamera sind in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet.

Funktionsprinzip eines Laserscanners

Durch diesen Winkel zeichnet sich an der Schnittebene zwischen Objekt und Linien-Laser für die Kamera eine Art Höhenprofil der Objektoberfläche ab. Die Software extrahiert in einem ersten Schritt die Laserlinie im Bild und ermittelt nun Zeile für Zeile den Punkt auf der Mitte der gefundenen Laserlinie in der jeweiligen Zeile. Somit werden für jede Zeile eine X- und eine Y-Koordinate im Bild gefunden. Mithilfe dieser Koordinaten und den bekannten Werten wie Winkel und Abstände zwischen Kamera, Laser und Projektionsebene kann wiederum...