What should be considered in photography?

Decisive for the success of photogrammetry and the reconstruction of 3D models is the adherence to certain principles. An overview of the most important principles is dealt with intensively in this section and shown in numerous examples.

Basics - Photogrammetry

In photogrammetry, prominent points (called features) in multiple images are recognized by software. From the relative position of these features to each other, the corresponding recording position of the camera(s) can be calculated. The more common features occur in multiple images, the more accurate the position can be determined. In the next step, the depth information of the individual features is triangulated on the basis of these perspectives. For this, each feature must be visible in at least two different photos. The different software solutions use different mathematical methods for the recognition of the distinctive features and therefore, in some cases, deliver significantly different qualities and calculation times.

It is essential that the surface of the object to be scanned should contain as many recognizable features as possible. However, the features must at least that large and clear that they can be recognized from several perspectives. In the illustration, a crystal glass was completely coated with chalk spray. A white primer was used. However, this alone would not be enough because the surface would not have enough recognizable features. For this reason, further details were created with a second layer of red spray paint.

The section marked in the first image was enlarged and an auxiliary triangle was drawn between three points that are striking for the human eye. It is only on closer inspection that it is possible to recognize these features (the triangle) in the following two pictures. On the second and third image, the glass has been turned in one direction. But in which? And at what angle?

For the human brain it is already difficult to be able to trace the left-hand rotation of the object on the image sections, let alone make a statement about the angle.

With appropriate mathematical methods, however, this is a solvable problem. In the last picture only the triangles were shown from whose side lengths the position of the camera can be roughly determined by simple algeabraic calculations and in the second step the exact coordinates of the points can be calculated.

The software needs as many of these triangles as possible for the most accurate positioning, so the surface of the object should have many recognizable features.

Summary: In photogrammetry, the surface of an object is approximated by many (millions) very small triangles. For this, as many features as possible must be visible on the surface and recognizable on different images, discrepancies (like re-coating the object) should be avoided. 

The Scan Object

Negativbeispiele

As already stated above, the nature of the object to be scanned and a corresponding preparation are decisive for the success of the 3D scan by means of photogrammetry.

The following difficulty grading provides a rough orientation, with each scan object representing an individual and new challenge:

easy - without significant preparation scanable

  • "natural" surfaces

  • rock

  • concrete

  • wood

  • textiles (*)

medium - easy preparation, possibly adjustment of the scanning process

  • smooth/reflective surfaces

  • plastic

  • metall

  • glas

challenging - extensive preparation and individual scanning processes necessary

  • people

  • buildings

  • compex geometries of "difficult-to-scan" materials (e.g. minature figurines)

  • soft/moveable objects (e.g. textiles)​

In addition, it makes sense to differentiate objects according to their size and manageability. If an object is permanently installed or large, certain recording options are eliminated. If, on the other hand, it is a living or at least a movable object, care must be taken to ensure that the position is not changed during the recording.

Summary: The perfect exercise object can be a simple stone or a piece of wood. Especially the objects lighting, number of shots, background choice and masking can be practiced very well. Just for starters, a handful of pictures are enough to get a feeling for the process and to get to know the software.

Grundlagen - Fotografie

Das Herzstück der Photogrammetrie ist die Kamera und noch wichtiger: der Mensch am Auslöser.

Zum Thema Kamerawahl und Fotografie gibt es nicht umsonst unzählige (Fach)literatur. Ich möchte an dieser Stelle auf eine ausführliche Beschreibung verschiedener Kameratechniken und Vor- und Nachteile einzelner Modelle verzichten. Wenn der hier beschrieben Workflow und die Grundprinzipien eingehalten werden, können selbst mit einer preiswerten Kamera (z.B. Fujifilm Finepix S100FS für ca. 100€) oder mit einem alten Iphone 4S hervorragende Ergebnisse erzielt werden. Alle auf der Homepage abgebildeten Scans wurden mit diesen Geräten erstellt. Die Fuji S100FS bietet ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis. Die Bedienung ist sehr intuitiv und übersichtlich. Darüber hinaus zeichnet sich die Kamera durch einen hervorragenden Makro-Modus aus, welcher besonders für kleine Objekte und Detailtreue essentiell ist.

Jeder Anwender muss für sich entscheiden, welche Aufnahmetechnik für seinen individuellen Einsatzzweck die Beste ist. Die Wahl der Kamera + ggfs. Objektiv hängt sehr stark von der Art der zu scannenden Objekte ab. Nicht zu vernachlässigen ist außerdem die Erfahrung, die der jeweilige Nutzer mitbringt. Es bringt meines Erachtens nach nichts, wenn ein Neuling der Photogrammetrie eine 2000€ Kamera kauft und diese nicht zweckmäßig einsetzen kann. Daher ist es ratsam mit einem Einsteigermodell, wie obiger Kamera oder dem Smartphone, anzufangen. So kann der grundlegende Workflow erlernt werden, ohne, dass man sich dabei zu sehr mit den Einstellungen der Kamera beschäftigen muss. Hat man die ersten Schritte erfolgreich hinter sich, schadet eine bessere Kamera natürlich nicht.

Im Gegensatz zur "klassischen" Fotografie stellt die Photogrammetrie sehr spezielle Anforderungen, die einzelnen Fotos müssen nicht "schön" sondern eben funktional sein. Daher wird im Folgenden auf ein paar Einstellungsmöglichkeiten eingegangen:

Grundlegende Kameraeinstellungen für die Photogrammetrie

 

Das Ziel der Fotografie besteht darin eine möglichst ausreichende Tiefenschärfe und eine gleichbleibende, einheitliche Belichtung des Objektes darzustellen. Letztendlich unterscheiden sich die Einstellung dafür je nach zu erfassendem Objekt, sodass es keine allgemein gültige Antwort gibt. Vielmehr ist es erforderlich über Erfahrung ein Gefühl dafür zu entwickeln, welche Einstellung im jeweiligen Fall die besten sind. Nichtsdestotrotz sollen an dieser Stelle ein paar Grundlagen aufgezeigt werden.

Belichtung = ISO-Wert + Belichtungszeit + Blende (+Beleuchtung)

Tiefenschärfe = Blende + Brennweite + Distanz

ISO-Wert

 

Der ISO-Wert gibt die Empfindlichkeit des Kamersensors an. Je höher dieser Wert, desto empfindlicher ist zwar der Sensor und die Belichtungszeit sinkt, jedoch wird das Bildrauschen deutlich erhöht, sodass Details verloren gehen. Für die Photogrammetrie ist daher ein möglichst geringer ISO-Wert empfehlenswert.

In der Darstellung sieht man links eine Aufnahme mit ISO-100 und rechts mit ISO-3200, wboei man klar das Rauschen im gesamten Bild erkennen kann.

Belichtungszeit

Die Belichtungszeit gibt an, wie lang der Sensor belichtet wird. Eine kurze Belichtungszeit ist vor allem bei bewegten Objekten zu wählen, wohingegen bei der Photogrammetrie meist lange Belichtungszeiten gewählt werden können. Da mit einer Zunahme der Belichtungszeit die Chance von Verwacklungen steigt, ist es empfehlenswert mit Stativ und Selbst- oder Fernauslöser zu arbeiten.

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Bilder für die Photogrammetrie können generell etwas unterbelichtet sein, da die Software, im Gegensatz zum menschlichen Auge auch dunkle Töne sehr gut unterscheiden kann. Viel schädlicher hingegen sind überbelichtete Bereiche, da dabei Informationen verloren gehen.

Blende

Die Blende steuert, ähnlich wie die Iris im Auge, wie weit das Objektiv geöffnet ist und wieviel Licht in welcher Zeit auf den Sensor trifft. Darüber hinaus beeinflusst die Öffnung der Blende die Tiefenschärfe. Diese gibt den Entfernungsbereich des Objektes von der Kamera an, welcher scharf und klar dargestellt werden kann. Details mit größerer oder geringerer Entfernung werden nur undeutlich und verschwommen dargestellt. Für die Photogrammetrie ist eine kleine Blendenöffnung (bspw. F12) einer großen Blendenöffnung (bspw. F2.8) vorzuziehen, da so eine größere Tiefenschärfe erreicht wird. Der Nachteil ist, dass sich die Belichtungszeit erhöht und eventuell mit einem Stativ und Fernauslöser das Verwackeln verhindert werden muss

Die dargestellten Bilder wurden v.l.n.r mit folgenden Werten aufgenommen:

  1. Distanz 10cm, F3.6, Belichtungszeit 1/3s

  2. Distanz 10cm, F8, Belichtungszeit 1s

  3. Distanz 50cm, F8, Belichtungszeit 2s

Brennweite und Distanz

 

Die Brennweite, oder auch umgangssprachlich der Zoom, gibt an, wie sehr ein Objekt vergrößert wird. Mit steigender Brennweite (höherem Zoom) nimmt die Tiefenschärfe ab. Aus diesem Grund sollte bei der Photogrammetrie eine möglichst geringe Brennweite verwendet werden.

Die Distanz ist das Maß der Entfernung von der Kamera zum Objekt. Mit größerem Abstand steigt die Tiefenschärfe, wobei das Objekt jedoch kleiner und damit mit weniger Details abgebildet wird. Nutzt man dann den Zoom, erhält man zwar eine gewünschte Vergrößerung, verringert jedoch die zuvor gewonnene Tiefenschärfe.

Zusammenfassung

Wie so oft bei der Fotografie muss man eine Balance aus den verschiedenen Parametern finden. Folgende Angaben können als Anhaltspunkt verwendet werden, gelten jedoch nicht in allen Fällen

  • geringer ISO-Wert

  • kleine Blende (großer F-Wert)

  • lange Belichtungszeit

  • Abstimmung von Brennweite + Entfernung für maximale Tiefenschärfe

Negativbeispiele

Beispiel 1 - ungünstige Beleuchtung, wenige Feature

Der dargestellte Schlüssel wurde, in der Großansicht offensichtlich, nach rechts gedreht (bzw. die Kamera nach links bewegt). In der vergrößerten Ansicht sind immer noch einige Details zu erkennen, jedoch ist die Aufnahme suboptimal, da sich die "markanten Punkte" nur um wenige Graustufen unterscheiden. Darüber hinaus erkennt man in der Vergrößerung, dass die Aufnahme nicht scharf genug ist, oder alternativ sich die Details nicht deutlich genug voneinander abheben.

In den Großaufnahmen wird noch ein weiteres Problem deutlich, die Belichtung ist nicht gleichmäßig. In der Rille des Schlüssels erkennt man einen Schatten, welcher auf beiden Bildern unterschiedlich dunkel ist. Dies führt dazu, dass dieser Bereich nur schlecht erkennbare Merkmale aufweist.

Die verwendete Software konnte das Modell zwar rekonstruieren, jedoch kann die Qualität des Scans aufgrund der ungünstigen Aufnahme nur mittelmäßig sein.

Mögliche Verbesserungen:

  • bessere Oberflächenvorbereitung/Kontrast

  • indirektere Beleuchtung

  • farbiger/schwarzer Hintergrund

  • Stativ verwenden (-> höhere Schärfe)

  • Höherer Blendenwert (-> mehr Tiefenschärfe)

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