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Structure from motion

Einleitung

Structure from Motion (SfM) ist eine Technik mit der man schnell und einfach 3D-Modelle am Computer generieren kann. Hierbei werden

Sfm

normale Fotoaufnahmen in eine der verschiedenen Applikationsformen hinein geladen und ohne großen Aufwand eine 3D-Darstellung modelliert.

Da Kameras heutzutage allgegenwärtig sind, ob in Form von Spiegelreflexkameras oder integriert im Smartphone, gibt es eine unzählige Zahl von Bildern. Gibt es mehrere Bilder des selben Motives ist es einfach auf dessen räumliche Struktur zurück zu schließen. Um die zum Motiv gehörenden Objektpunkte triangulieren zu können, muss lediglich bekannt sein wo sich die Kamera zum Zeitpunk der Aufnahme befindet und in welche Richtung sie blickt.

Definition

Durch die SfM-Technik ist es möglich anhand von Fotoaufnahmen einer handelsüblichen Kamera eine dreidimensionale Szene zu erschaffen. Die Bilder müssen sich überlappen und aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen werden, um eine lückenlose Darstellung zu ermöglichen.[1] Das Wunschobjekt wird aus verschiedenen Perspektiven fotografiert und lässt sich mittels einer Software zu einem 3D-Objekt generieren.[2]

Kamera Positionen


Methodik

Die herkömmlichen Methoden zur Datengewinnung waren bisher das Laserscanning und die Photogrammmetrie. Da die Anschaffung eines Laserscanners sehr teuer ist, wird dieses Verfahren nur im professionellen, gewerblichen Umfeld genutzt. Die SfM-Technik ermöglicht es auch mit einfachen Smartphonekameras eine 3D-Szene zu gestalten. Vorteil hierbei ist die einfache Anwendung, die man sich in kürzester Zeit selbst aneignen kann. Neben den extrinsischen Parametern, wie Position und Orientierung der Kamera, müssen auch die intrinsischen Parameter bekannt sein. Zu den intrinsischen Kameraparametern zählen zum Beispiel die Brennweite und ob der Bildsensor exakt mittig zur Bildachse liegt. Das Ziel ist, sowohl die Geometrie des fotografierten Motivs in Form von Objektpunkten im dreidimensionalen Raum als auch die beteiligten Kameras in Form ihrer Kameramatrizen zu bestimmen.[3] Structure from Motion kann die Orientierung einer Vielzahl von ungeordneten Bildern bestimmen. Die zur Schätzung der Orientierungsparameter benötigten Verknüpfungspunkte werden automatisch extrahiert, und in weiteren Schritten kann die Punktwolke überdies verdichtet beziehungsweise vermascht werden. [4]

Softwarelösungen

Um 3D Modelle mittels SFM am PC abbilden zu können, sind heute einige unterschiedliche Softwarelösungen am Markt erhältlich. Dabei handelt es sich um Programme die Objekte, welche aus verschiedenen Perspektiven fotografiert wurden, dreidimensional zu rekonstruieren. Daher auch der Name „Structure from Motion“ – die Rekonstruktion der Struktur durch die Bewegung der Kamera (Motion). [5] Dabei kann der Benutzer aus frei zugänglicher und kostenloser Software wie Bundler/PMVS2, VISUALSFM, u.a., Webservice Software wie Microsoft Photosynth, Autodesk Photofly/123 Catch (Beta) oder preisgünstiger Software wie etwa [[Agisoft Photoscan]) wählen.[6]

VISUALSFM

Eines das zur Bearbeitung möglichen Programme ist VISUALSFM. Bis zum Erhalt einer Punktwolke sind bei dieser Softaware im Grunde 3 Schritte erforderlich, bis im letzten 4 Schritt ein geschlossenes 3D Modell berechnet werden kann. Ausschlaggebend für die Anwendung sind die Abmessungen (Pixel) der Bilder welche zur Bearbeitung herangezogen werden. Hierbei ist auf genügend Arbeitsspeicher zu achten, da die Programmanwendung bei zu wenig Speicherplatz instabil wird.[7]

Von einer Reduktion der Auflösung aufgrund von Speicherplatzproblemen wir abgeraten, da dies zu deformierten und fehlerhaften Modellergebnissen führen kann. VISUALSFM führt das Matchingverfahren im Regelfall automatisch aus. Bei fehlerhaften Treffern kann das Matching wiederholt und verbessert werden. Bei unzureichenden automatischen Matchingergebnissen ist es auch möglich manuell zu arbeiten. Daneben bietet die Option des Sequenz Matching die Möglichkeit lediglich benachbarte Bilder heranzuziehen und ist vor allem bei großen Datensätzen oft hilfreich. Vor der Auswertung von Bildern mit VISUALSFM empfiehlt es sich, diese zu entzerren, da das Programm lediglich die radialsymmetrische Verzeichnung des Objektives korrigiert. Zwar können Kalibrierungsdaten eingegeben werden, allerdings ist anschließend keine Entzerrung mehr möglich. Um das Ergebnis der dünnen Punktwolke, welche von VISUALSFM erstellt wird, weiter zu einem Modell zu verarbeiten kann im Programmverzeichnis das Ergänzungsprogramm CMVS/PMVS2 hinzugefügt werden. Eine weitere Möglichkeit bietet das externe Modellierungsprogramm CMPMVS.[8]

Bundler/PMVS2

Als weitere frei Verfügbare Software ist Bundler/PMVS2 erhältlich welche an der Universität von Washington entwickelt wurde. Die Bearbeitung beliebig angeordneter Bilddaten ist hier möglich. Die Extraktion der Merkmale wird dabei mittels SIFT-Algorithmus ausgeführt. Brennweite und andere Kalibrierungsdaten der Kamera werden von der Software berechnet. Die daraus entstehende 3D Punktwolke wird in PMVS2 weiter verdichtet und erhält dabei die Farbwerte des gewünschten Objektes. Die Ergebnisse beider Teile der Software können in MeshLab (Software) dargestellt werden, welche ebenso eine frei verfügbare Software darstellt mit dessen Hilfe Triangulationen und Modellierungen durchgeführt werden können. [9]

Microsoft Photosynth

Hierbei handelt es sich um eine Software welches ein externes Webservice benutzt um 3D Punktwolken aus Fotos zu erstellen. Um dieses Softwareangebot nutzen zu können muss der Nutzer über ein geeignetes Programm zum Hochladen der Daten als auch über eine Windows Live ID verfügen. Das Ergebnis kann bereits nach wenigen Minuten auf gängigen Browsern betrachtet werden und durch das externe Programm SynthExport exportiert werden. [10]

123D-Catch

Eine einfache Programmoberfläche bietet 123D-Catch. Bei diesem Programm liegt der Vorteil vor allem darin, dass die Anforderungen der technischen Ausstattung (CPU) für die Anwendung geringer sind als für einige andere Programme. Dies ist dadurch möglich, dass die zur Verarbeitung verwendeten Bilder nach dem Importieren in die Anwendung an den Autodesk-Server gesendet werden. Nach der Verarbeitung können die Daten wieder heruntergeladen werden und das fertige Modell ist wieder im Programm 123D-Catch zu betrachten. Ein benutzerfreundliches und einfaches Programm welches allerdings eine ständige Onlineverbindung für die Bearbeitung voraussetzt. Zudem kommt die Tatsache, dass die Daten auch auf anderen Servern gespeichert werden und somit auch zugänglich für dritte sind. Das Modell wird standardmäßig geglättet was zu Verlusten der Schärfe führen kann. [11] Die Ergebnisse sind dabei in verschiedenen Qualitätsstufen abrufbar und können in unterschiedlichen Formaten exportiert werden. [12] In diesem Programm ist neben dem automatischen auch ein halbautomatisches Matching möglich. [13]

Agisoft Photoscan

Als Standardausgabe oder als professionelles Bearbeitungsprogramm erhältlich ist die Software Agisoft Photoscan. Die in St. Petersburg ansässige Firma bietet eine Softwarelösung mit genau strukturierten und automatisch generierten 3D Modellen. Es zeichnet sich vor allem durch gute Bildorientierung ohne kodierte Zielmarke als auch dadurch aus, dass keine speziellen Bildaufnahmebedingungen erforderlich sind. Ausführbar ist es unter den gängigen Windows Betriebssystemen. Erstellte Daten und Bearbeitungen sind somit lokal am Arbeitsplatz des Anwenders gespeichert und i.d.R. nicht zugänglich für Dritte. [14]

Anwendungsbereiche

Obwohl es sich bei Structure from Motion um eine neuere Entwicklung handelt, lässt sich diese Technologie in immer mehr Anwendungsbereichen auffinden. Durch die Methodik, mittels 2D-Daten 3D-Modelle zu generieren, findet sich Structure from Motion in den unterschiedlichsten Wissenschaftszweigen. So lassen sich in den Geowissenschaften bestimmte Landschaftsformen darstellen oder in der Archäologie Ausgrabungen dokumentieren. Aber auch in der Autoindustrie erfolgt eine rasche Integration. Da mit der Hilfe von Bildaufnahmen 3D-Modelle erstellt werden können, ersetzt SfM schon viele Methoden der Oberflächenaufnahme. Neben der teilweise einfacheren Handhabbarkeit spielt hierbei auch der Kostenfaktor eine entscheidende Rolle.

Geowissenschaft

Structure from Motion spielt auch in den Geowissenschaften eine zunehmende Rolle. Durch die Funktionsweise von SfM können dreidimensionale Punktwolken und digitale Oberflächenmodelle erzeugt werden. Weiters können Ergebnisse als Kartiergrundlage dienen. Die generierten Oberflächenmodelle ermitteln topographische Veränderungen und folglich dynamische Prozesse in glazialen, fluvialen, küstennahen, vulkanischen und vielen anderen Bereichen der Erdoberfläche. Die entwickelten Punktwolken ermöglichen eine Vielzahl an Analysen und Untersuchungen: a)Genauere Darstellungen einer komplexeren Geometrie, z.B.: Steine, Felsen, Felsvorsprünge b) Werden aufgenommen um festes Gestein zu analysieren c)Ermöglichen aber auch die Analyse von weicherem Gestein. d)Können jedoch auch zur Erforschung von pflanzlicher Biomasse verwendet werden. [15] Mit Hilfe von Sfm können so zum Beispiel Moränen-Komplexe aber auch eine Vielzahl anderer geomorphologischer Formen analysiert und dargestellt werden. Als Beispiel in der Geowissenschaft dient der Moränen-Komplex in Dig Tsho, im Himalaya-Gebirge.[16] Entlang des Moränen-Komplexes wurden insgesamt 35 raumbezogene Kontrollpunkte errichtet und insgesamt 1649 Fotos aufgenommen. Die Aufstellung der Kontrollpunkte dauerte, aufgrund der etwas herausfordernden Topographie, etwa 10 Stunden. Des Weiteren wurden an 3 Imageposten 22.000 Punkte produziert. Der SfM-Prozess dauerte pro Posten etwa 22 Stunden. Die Daten wurden anschließend georegistriert. Anschließend erfolgte eine Georegistrierung und zusätzlich wurden daraus dezimierte Geländeprodukte abgeleitet.[17]

Archäologie

In den letzten 15 Jahren kam es aufgrund des erhöhten Einsatzes von digitalen Dokumentationsmethoden zu einem Fortschritt in der archäologischen Grabungstechnik. Obwohl Structure from Motion, im Vergleich zu Laserscanning und anderen Technologien, eine kostengünstigere Variante zur Oberflächenaufnahme darstellt, wird SfM bislang nur für großflächige Geländemodellierungen und der Darstellung von Einzelobjekten verwendet. Ziel von archäologischen Grabungen ist es, die Stratigraphie der Grabungsfläche aufzunehmen und zu analysieren.[18]

Structure from Motion findet in der Archäologie vorallem wegen der vielfältigen Flächendokumentation immer mehr Interessenten. Bei einem Ausgrabungsprozess ist es notwendig, eine Vielzahl von Flächen aufzunehmen. Da bestimmte Ausgrabungen in ihrem 3D-Ergebnis eine volle Textur aufweisen sollten, bietet sich hier SfM an. Für die Darstellung von geraden Flächen ist beispielsweise eine Berechnung von zwei aufgenommenen Bildern ausreichend. Mittels Schrägaufnahmen, welche zusätzlich aufgenommen werden sollten, können bei Ausgrabungsstätten Messfehler verhindert werden, da dieser Aufnahmewinkel eine flachwinkelige Messkorrektur zur Folge hat. Bei verwinkelten Objekten, wie Kellerinnenwände oder Mauerzüge, ist es wichtig, die bestehenden Winkel allmählich und schrittweise zu dokumentieren. Problematisch sind Objekte, welche räumlich nicht sehr tief liegen. Dabei kann es sich um dünne Holzbretter oder andere Materialen handeln. Schmale Gegenstände führen dazu, dass weniger Punkte miteinander verknüpft oder vernetzt werden können.[19]

Einzelnachweise

  1. ↑ Jochen Reinhard: Structure-from-Motion-Photogrammetrie mit Agisoft PhotoScan. Erste Erfahrungen aus der Grabungspraxis. In: Undine Lieberwirth und Irmela Herzog (Eds.), 3D-Anwendungen in der Archäologie. Computeranwendungen und quantitative Methoden in der Archäologie. Workshop der AG CAA und des Exzellenzclusters Topoi 2013, Berlin. 18.
  2. ↑ Marius Ziegler et al: 3D-Rekonstruktion von Objekten mittels „Structure-from-Motion“ aus einer photogrammetrischen Aufnahme mit den Programmen VisualSFM und CMPMVS. Gemeinsame Tagung 2014 der DGfK, der DGPF, der GfGI und des GiN. S.1.
  3. ↑ Cheremukhin Sergey: Zuverlässiges Structure-From-Motion für Bildpaare. In: Informatic Spectrum 36,4,2013.
  4. ↑ Resch Alois et al.:Genauigkeitsbetrachtungen zur Schätzung der äußeren Orientierung bei Structure from Motion. In: BHM (2016) Vol. 161(8). 340-344.
  5. ↑ Marius Ziegler et al: 3D-Rekonstruktion von Objekten mittels „Structure-from-Motion“ aus einer photogrammetrischen Aufnahme mit den Programmen VisualSFM und CMPMVS. Gemeinsame Tagung 2014 der DGfK, der DGPF, der GfGI und des GiN. S.1.
  6. ↑ Thomas P. Kersten, Maren Lindstaedt: Generierung von 3D-Punktwolken durch kamera-basierte low-cost Systeme – Workflow und praktische Beispiele. Terresrisches Laserscanning 2012 (TLS2012), Schriftenreihe des DVW, Band 69, Beiträge zum 11. DVW-Seminar am 13. Und 14. Dezember 2012 in Fulda, Wißner-Verlag. Augsburg, S.25.
  7. ↑ Marius Ziegler et al: 3D-Rekonstruktion von Objekten mittels „Structure-from-Motion“ aus einer photogrammetrischen Aufnahme mit den Programmen VisualSFM und CMPMVS. Gemeinsame Tagung 2014 der DGfK, der DGPF, der GfGI und des GiN. S.2-4.
  8. ↑ Marius Ziegler et al: 3D-Rekonstruktion von Objekten mittels „Structure-from-Motion“ aus einer photogrammetrischen Aufnahme mit den Programmen VisualSFM und CMPMVS. Gemeinsame Tagung 2014 der DGfK, der DGPF, der GfGI und des GiN. S.2-4.
  9. ↑ Thomas P. Kersten, Maren Lindstaedt: Generierung von 3D-Punktwolken durch kamera-basierte low-cost Systeme – Workflow und praktische Beispiele. Terresrisches Laserscanning 2012 (TLS2012), Schriftenreihe des DVW, Band 69, Beiträge zum 11. DVW-Seminar am 13. Und 14. Dezember 2012 in Fulda, Wißner-Verlag. Augsburg, S. 26-27.
  10. ↑ Thomas P. Kersten, Maren Lindstaedt: Generierung von 3D-Punktwolken durch kamera-basierte low-cost Systeme – Workflow und praktische Beispiele. Terresrisches Laserscanning 2012 (TLS2012), Schriftenreihe des DVW, Band 69, Beiträge zum 11. DVW-Seminar am 13. Und 14. Dezember 2012 in Fulda, Wißner-Verlag. Augsburg, S.28.
  11. ↑ Marius Ziegler et al: 3D-Rekonstruktion von Objekten mittels „Structure-from-Motion“ aus einer photogrammetrischen Aufnahme mit den Programmen VisualSFM und CMPMVS. Gemeinsame Tagung 2014 der DGfK, der DGPF, der GfGI und des GiN. S.5-6.
  12. ↑ Thomas P. Kersten, Maren Lindstaedt: Generierung von 3D-Punktwolken durch kamera-basierte low-cost Systeme – Workflow und praktische Beispiele. Terresrisches Laserscanning 2012 (TLS2012), Schriftenreihe des DVW, Band 69, Beiträge zum 11. DVW-Seminar am 13. Und 14. Dezember 2012 in Fulda, Wißner-Verlag. Augsburg, S.29.
  13. ↑ Marius Ziegler et al: 3D-Rekonstruktion von Objekten mittels „Structure-from-Motion“ aus einer photogrammetrischen Aufnahme mit den Programmen VisualSFM und CMPMVS. Gemeinsame Tagung 2014 der DGfK, der DGPF, der GfGI und des GiN. S.5-6.
  14. ↑ Thomas P. Kersten, Maren Lindstaedt: Generierung von 3D-Punktwolken durch kamera-basierte low-cost Systeme – Workflow und praktische Beispiele. Terresrisches Laserscanning 2012 (TLS2012), Schriftenreihe des DVW, Band 69, Beiträge zum 11. DVW-Seminar am 13. Und 14. Dezember 2012 in Fulda, Wißner-Verlag. Augsburg, S.29.
  15. ↑ Jonathan Carrivick et al: Structure from Motion. In: Geosciences , West Sussex, 2016. S.124.
  16. ↑ Matthew Westoby et al.: ‘’Structure from Motion photogrammetry: a low-cost, effective tool for geoscience applications.’’ 2012. S.12.
  17. ↑ Matthew Westoby et al.: ‘’Structure from Motion photogrammetry: a low-cost, effective tool for geoscience applications.’’ 2012. S.12f.
  18. ↑ Ronny Weißling et al: ‘’Structure-from-Motion und Pole-Aerial-Photography für die Dokumentation archäologischer Grabungen.‘‘ 2013. S.245.
  19. ↑ Lukas Fischer : Structure from Motion in der Praxis. Netzpublikationen zur Grabungstechnik 6. 2015. S.4-9.

Weblinks

Bundler [1] PMVS2 [2] VisualSFM [3] MeshLab [4]

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