Wie funktioniert 3D-Scanning?

Nicht nur schnödes Papier – 3D-Scans sollen Körper der Wirklichkeit in drei Dimensionen abbilden, digital auf dem Bildschirm. Wofür? Und: Wie geht das? 3D-Scanner-Überblick & Einführung.Beim dreidimensionalen (3D) Scannen von realen Objekten werden Form und Eigenschaften dieser Objekte erfasst, um sie in digitalisierter Form zu repräsentieren.

3D-Scans: Wofür?

Die Anwendungsbereiche sind vielfältig und reichen von Landschaftsvermessung über Fertigungskontrolle in der Automobilindustrie bis hin zur Rekonstruktion archäologischer Fundstücke und realitätsnaher Produktdarstellung für Konsumenten (zum Beispiel die Vorstellung eines neuen Automodells). Besonders bekannt ist das 3D-Scannen im Rahmen der Games-Entwicklung – für Figuren in den Computerspielen werden reale Personen und ihre Bewegungen eingescannt und dienen so quasi als Muster für die virtuellen Spiel-Charaktere.

Was und wie 3D-Scanner erfassen

Grundsätzlich arbeiten 3D-Scanner wie herkömmliche Kameras. Ausnahmen bilden nur die mit Röntgenstrahlen arbeitenden Scanner. Die normalen 3D-Scanner erfassen aber – wie die normalen Kameras – lediglich ein kegelförmiges Sichtfeld und nur Informationen über Oberflächen, die nicht verdeckt sind – eben genauso wie die klassische Kamera.

3D-Scanner: Kein einzelnes Gerät, sondern ein komplettes Messsystem

Der Begriff 3D-Scanner ist bereits unscharf: Unter 3D-Scannern wird im Allgemeinen ein komplettes Erfassungs- und Verarbeitungs-System verstanden. Das Messsystem eines 3D-Scanners umfasst als Hardware Sensor, Projektor, Positioniereinheit. Der Projektor kommt bei berührungslosen Laser-Scannern zum Einsatz – er projiziert Strahlen auf das Objekt; die Strahlenreflexionen werden durch die Sensoren erfasst. Sensoren sind zum Beispiel Videokamera oder Webcam. So zeichnet beim Laser Scanning die Kamera als Sensor die vom Objekt reflektierten Signale auf.

Vorhang auf: Die Szene beim 3D-Scannen

Im Prinzip wird für das 3D-Scannen eine Art Bühne aufgebaut, bei der Helligkeit, Lichteinfall, Position und Bewegung des Objekts und so weiter genauestens festgelegt sind. Abweichungen von diesen Voreinstellungen bedeuten im Regelfall auch Verluste bei der Qualität des Scan-Ergebnisses (oder eine Menge manueller Nacharbeit). Die Positioniereinheit sorgt dafür, dass sich das Objekt in der vorgesehenen Stellung und Position sowie mit den vorgesehenen Bewegungen zum Sensor und Projektor befindet. Meist wird darunter ein bestimmter Winkel, Abstand und als Bewegung im Regelfall die Drehung verstanden. Soll ein Würfel eingescannt werden, wird er auf der Positioniereinheit befestigt und diese dreht ihn, so dass Projektor und Sensor ihre Arbeit verrichten können. Hält man einen Würfel in der Hand, würde dieser zu sehr zittern und auch nicht exakt gedreht werden.

3D-Scan: Schaltzentrale Software

Die „Schaltzentrale“ für das Scannen ist jedoch die entsprechende Software zur Kalibrierung, Datenerfassung und vor allem zur Rekonstruktion. Die Güte der Software entscheidet letztlich über die Qualität der Datenerfassung: Sie bereitet diese vor und managen sie. Die Scan-Software muss die Daten verwalten, berechnen und – eventuell noch mit manuellen Änderungen – zu einem möglichst wirklichkeitsnahen Objekt zusammensetzen.

Die klassische Kamera-Aufnahme: Zentralperspektive

Scannen ist nichts anderes als die digitalisierte Beschreibung von Objekten. Diese erfolgt mittels – meist hochkomplexen – Modellen. Für die fotografische Abbildung ist ein solches Modell normalerweise das der Zentralperspektive: Ein Punkt befindet sich im Raum, genauer: im dreidimensionalen Objektraum. Vereinfacht ausgedrückt wird zwischen diesem Punkt und der Kamera (eigentlich: dem Projektionszentrum der Kamera) eine Linie gezogen und der Punkt entlang dieses Strahls im richtigen Maßstab verkleinert auf die zweidimensionale Bildebene (Gühring, Seite 37).

Die Abbildung des 3D-Scanners

Der 3D-Scanner erfasst natürlich nicht das Objekt an sich, sondern die Objektgeometrie. Er schafft eine „Abbildung“ in einem Koordinatensystem. Diese Abbildung beschreibt den Abstand zu einer zu erfassenden Oberfläche durch jeden einzelnen gescannten Punkt. Der Vermessungsbereich reicht von wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern, so dass Aufnahmen von Mikrochips bis hin zu Landschaftsausschnitten möglich sind.

Wie wird der Würfel eingescannt? Wie geht das denn nun?

Schön wäre es, wenn man diese Frage einfach beantworten könnte. Fakt ist aber, dass hier gar nichts einfach und klar ist und überall alles anders …

Wie nun diese Erfassung und wie die Auswertung vonstatten gehen – das ist von Methode zu Methode, von 3D-Scan-System zu 3D-Scan-System völlig verschieden. Das fängt bei der Erfassung an (wie wird was erfasst …?), wird aber vor allem bei der Auswertung der Daten deutlich. Da werden ja Tausende, Millionen Punkte aufgenommen – nur die sind erst einmal nur Tausende oder Millionen Punkte. Die Kunst des 3D-Scanners besteht darin, aus dieser Punktmenge ein Objekt zu gestalten – und dann möglichst auch das Objekt, das eingescannt wurde (was sich trivial anhört, es aber beileibe nicht ist). Selbst die grundlegenden Annahmen und die mathematischen Berechnungsmodelle im Hintergrund sind von System zu System unterschiedlich. Und echte Körper auf den Bildschirm zu bringen ist so kompliziert, dass oft die Ergebnisse eben nicht so aussehen wie dieser Körper, den man einscannen wollte. Deswegen sind die besten 3D-Scanner auch sündhaft teuer und vor allem spezialisiert auf ein bestimmtes Objekt, zum Beispiel eine Maschine – wenn das Objekt sich ändert, muss meist auch die Software aufwendig angepasst werden.

Berührungsbasierte und berührungslose Verfahren

Unterschieden werden grundsätzlich zwei verschiedene Verfahren von 3D-Scannern: berührungsbasierte und berührungslose beziehungsweise Contact/Non-contact 3D-Erfassungsmethoden.

Berührungsbasierte oder taktile Scanner haben Kontakt zum zu erfassenden Objekt. Als Hilfsinstrumente der Erfassung dienen meist flexible Scannerarme, die mit einem Tastkopf einzelne Punkte des Objekts anfahren. Vorteil: hohe Messgenauigkeit. Nachteile: Objekt kann deformiert werden; Anschaffungskosten; Erfassungsgeschwindigkeit; hoher Aufwand bei komplexen Objekten.

Berührungslose Verfahren

Zu den berührungslosen (non-contact) Scan-Verfahren gehören optische Methoden wie das Laser-Scanning und nicht-optische wie Radar oder Ultraschall. Während Laser-Scanner nur Daten zur Oberfläche eines Objekts aufnehmen, kann die Computertomographie auch das Innere eines Objekts erfassen.

Berührungslose 3D-Erfassungsmethoden werden noch in aktive und passive Scan-Methoden unterteilt: Passive Methoden nutzen die in der Szene vorhandene Strahlung, zum Beispiel arbeitet ein Körper-Scanner mit der menschlichen Wärme. Bei reflektierenden oder stark tiefengegliederten Objekten zeigen aktive Methoden ihre Stärken, denn sie bringen die Energie (meist Licht) in die Szene ein. Zudem sind sie effizienter und robuster als passive Verfahren.