Neue Methoden der 3D-Rekonstruktion können Denkmalpflegern und Kuratoren neue Erkenntnisse bieten

Die meisten gängigen Lösungen zur Erstellung von Stadtmodellen geben dichte geometrische Modelle aus, die präzise und visuell originalgetreu sind, aber keine strukturellen oder semantischen Informationen beinhalten. Anwendungen, die meist mit strukturierten Szenarien arbeiten, können diese darum nicht problemlos verwenden.

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Beim kulturellen Erbe sind großskalige Gebiete nicht nur komplexe „Formen“, sondern hybride Szenarien aus freien Formen (Landfläche, Bäume) und einer Vielzahl von Objekten mit strukturellen Beziehungen und semantischer Bedeutung (wie Mauern, Dächer, Fassaden). Es gibt eine bestimmte Art bereits bestehender Lösungen, die originalgetreue Modelle erstellen und dann strukturelle und semantische Informationen integrieren kann, was eine aussagefähige Detailgenauigkeit ermöglicht. Doch für die Erstellung solcher Stadtmodelle sind viele arbeitsintensive Modellierungs- und Bearbeitungsschritte nötig, um den Daten semantische Schlagworte zuzuordnen und alles zu rekonstruieren. Das EU-Projekt TITANIUM („Software Components for Robust Geometry Processing“) beschäftigt sich mit dem Problem der 3D-Rekonstruktion und Vereinfachung der geometrischen Daten aus Rohmessungen sowie mit entsprechenden Umwandlungsmethoden, die genau auf die 3D-Stadtmodellierung zugeschnitten sind. Die Rohdaten sind hierbei 3D-Punktwolken, die entweder mit Laserscannern oder dichten photogrammetrischen Algorithmen (die Fotos in 3D-Punktwolken mit Farbattributen umwandeln) gewonnen werden. Forschungsleiter Dr. Pierre Alliez vom Institut National de Recherche en Informatique et Automatique (INRIA) in Frankreich erklärt: „Wir gehen von bestehenden prototypischen Forschungsalgorithmen aus. Darauf aufbauend wollen wir einen Software-Demonstrator für geometrische Verarbeitung und 3D-Stadtmodellierung entwickeln und so den nächsten Schritt vor der Markteinführung neuer Softwarekomponenten für die Computational Geometry Algorithms Library erleichtern.“ Pionierarbeit an neuen Formeln Dr. Alliez erklärt wie das Projekt für eine verlässliche Formenrekonstruktion neue Formeln auf Basis der Theorie des optimalen Transports genutzt hat. Dazu werden geometrische Messdaten (Rohdaten von Punkten) als diskrete Messwerte (Massenverteilungen) benötigt. Das eigentliche Rekonstruktionsproblem wird in ein Problem des Massetransports umformuliert, also des Transports (der Verteilung) der genannten Massen auf die rekonstruierten Oberflächen. „Häufig kommt es bei kostengünstigen geometrischen Messgeräten zu räumlich variablem Rauschen. Dem wirken wir mit einem neuen Ansatz entgegen, bei dem der Maßstab automatisch gewählt wird, und zwar basierend auf der alleinigen Annahme, dass die abgeleiteten Formen bekannte Abmessungen haben.“ Das Projekt hat diese Methoden gewählt, weil sie die beste Widerstandsfähigkeit gegen Rauschen und Ausreißer bieten. Es bleibt das Problem wie Formen verlässlich angenähert werden können. TITANIUM hat einen neuen Ansatz entwickelt, der die geometrische Komplexität einer Form reduziert, aber gleichzeitig in einem Toleranzbereich hält und ihre topologische Richtigkeit garantiert. „Dieser Ansatz illustriert unser ursprüngliches Ziel am besten, nämlich Methoden zu entwickeln, die mit fehlerhaften Ausgangsdaten trotzdem zu Ergebnissen kommen können, die garantiert richtig sind“, sagt Dr. Alliez. Und weiter: „Obwohl unsere fachliche Ausrichtung hauptsächlich auf die Informatik beschränkt war, haben wir unser Blickfeld auf Themen ausgeweitet, die normalerweise in der Robotik oder Computervision behandelt werden.“ Vorteile für die Gesellschaft Zu den gesellschaftlichen Vorteilen des Projekts gehört, dass die Methode nachhaltige Stadtplanung unterstützen kann. Denn computergestützte Ingenieurwissenschaften lassen sich auch auf Simulationen physikalischer Phänomene ganzer Städte anwenden. Der vorgeschlagene Demonstrator wird signifikanten Einfluss auf Anwendungen haben, in denen Geometrieerfassung und -verarbeitung eine zentrale Rolle spielen (z. B. geografische Informationssysteme, computergestützte Ingenieurwissenschaften oder Reverse Engineering). Dr. Alliez erklärt: „Unsere Industriekontakte haben uns mitgeteilt, dass der Umwandlungsprozess der Rohdaten in einwandfreie Modelle für die Simulation mit Abstand der arbeitsintensivste Teil des Entwicklungszyklus ist (er macht 85 % der aufgewendeten Zeit aus, die Simulation nur 15 %). Unser Demonstrator kann diese Prozessdauer signifikant verkürzen und so die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit erhöhen.“ Die Projektergebnisse können auch in Erhaltungsmaßnahmen einfließen. Wenn strukturelle Beziehungen gefunden und umgesetzt werden können, ist es auch möglich, Nachbarschaften und kanonische Korrelationen zu finden, die wiederum quantifiziert und so als exakte Verhältnisse verfestigt werden können. Strukturelle und semantische Informationen werden dann genutzt, um die Detailgenauigkeit wiederherzustellen. „So ließe sich die Abtastung einer historischen Stätte oder einer ganzen Sammlung verbessern, deren Teile möglicherweise weit verstreut sind“, sagt D. Alliez. Noch weiter gedacht, können die Ergebnisse aus TITANIUM dazu führen, dass ein Konzept für gemeinsame Digitalisierung und aktive digitale Ressourcen entwickelt wird. Im Kontext interdisziplinärer Kooperation ist hierbei das Ziel, hybride Systeme zu gestalten, in denen Gruppen (über soziale Netzwerke) und Sensornetzwerke zusammenarbeiten.

Schlüsselbegriffe

TITANIUM, 3D-Rekonstruktion, Denkmalpflege, computergestützte Ingenieurwissenschaften, Informatik, 3D-Stadtmodellierung

Software Components for Robust Geometry Processing

Neue Methoden der 3D-Rekonstruktion können Denkmalpflegern und Kuratoren neue Erkenntnisse bieten

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