Messtechnik: 3D-Modell des Markgräflichen Opernhauses Bayreuth vorgestellt

Eine detailgetreue virtuelle 3D-Darstellung des Markgräflichen Opernhauses Bayreuth präsentierten Forscher am 1. Juni der Öffentlichkeit. Um das dreidimensionale Modell zu realisieren, kam erstmals ein portables Messsystem zum Einsatz, das einen Laserscanner mit einer scientific-CMOS-Kamera von PCO kombiniert. Die PCO AG aus Kelheim ist einer der wichtigsten Hersteller wissenschaftlicher Kameras.

Von 2012 bis 2014 wurde das Logenhaus des Markgräflichen Opernhauses mit Hilfe moderner, ursprünglich für die Raumfahrt entwickelter Technik bis in den Submillimeterbereich hinein vermessen und als originalgetreues 3D-Modell berechnet. Beteiligt an dem Projekt der Bayerischen Forschungsstiftung unter dem Namen „MuSe“ (MultiSensor) waren das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (Bildverarbeitung, Modellierung, Durchführung), die PCO AG (sCMOS-Kamerasystem), die Zoller + Fröhlich GmbH (Laserscanner) sowie mehrere Dienstleister.

Das zentrale Werkzeug für die Forscher stellte dabei ein tragbares Messsystem auf Basis der scientific-CMOS-Kamera pco.edge von PCO dar. Diese wissenschaftliche Kamera kombiniert unterschiedliche Eigenschaften miteinander, die sie für den Einsatz in einem solchen System prädestinieren: extrem niedriges Ausleserauschen, schnelle Bildrate, weiten Dynamikbereich, hohen Quantenwirkungsgrad, hohe Auflösung sowie großes Blickfeld. Kombiniert wurde die PCO-Technologie mit einem Laserscanner von Zoller + Fröhlich: Der Laserscanner erstellte das Grobmodell mit 2 bis 3 Millimeter Auflösung, während das portable Kamerasystem auf Basis der pco.edge die Feinarbeit im Submillimeterbereich übernahm.

Pixel für Pixel zum 3D-Modell

Grundlegend für das Erstellen von 3D-Modellen ist die Aufnahme von einander überlappenden Bildern aus unterschiedlichen Perspektiven. Aus diesen werden räumliche Information gewonnen. Im ersten Schritt wird aus den Bildinhalten und Beobachtungen von Hilfssensoren wie GPS, Kreisel und Beschleunigungssensoren die genaue Position und Lage des Sensors bestimmt. Ein am DLR entwickeltes Verfahren namens Semi-Global Matching ermöglicht es, für jeden Bildpunkt eines Stereobildes den korrespondierenden Bildpunkt des zweiten Bildes zu finden. Aus den Korrespondenzen zwischen den beiden Bildern lässt sich dann anhand der bekannten Position und Lage der Bilder eine Tiefenkarte mit den X-, Y- und Z-Koordinaten der aufgenommenen Bildpunkte ableiten.

Eine der Herausforderungen: Bei der Erfassung historischer Gebäude wie dem Opernhaus, treffen die Forscher auf engem Raum auf Oberflächen mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften, von mattem Stoff bis zur Blattvergoldung. Weil sich mit dem Semi-Global Matching-Verfahren nur dann ein 3D-Pixel berechnen lässt, wenn es sich hinreichend von seiner Umgebung abhebt, war eine der wichtigsten Anforderungen an das Kamerasystem, dass es über eine große Intra-Szenen-Dynamik verfügt, die genau dies ermöglicht. Das führte zur Wahl der neuen scientific-CMOS-Technologie mit ihren hochdynamischen Bildsensoren (1:25’000).

3D-Modelle für Archivierung und mehr: Das MuSe-Forschungsprojekt

Mit der 3D-Modellierung des 2012 in die Weltkulturerbe-Liste aufgenommenen Opernhauses bewiesen die Forscher die Praxisfähigkeit des MuSe-Projekts der Bayerischen Forschungsstiftung. Es verfolgt das Ziel, über die 3D-Modellierung des Opernhauses hinaus durchgängige Hard- und Software-Werkzeuge zu entwickeln und zu erproben, die eine authentische, mehrskalige, multisensorielle 3D-Modellierung der Umwelt in höchster Auflösung für Aufgaben der Industrie, der Kultur- und Umweltschutzes und des Tourismus ermöglichen. Denkbar ist etwa eine digitale Archivierung zentraler Bauwerke der Kulturgeschichte, die so zumindest als ‚virtuelles‘ Modell Brände oder vergleichbare Katastrophen überstehen würden.

Anlässlich des UNESCO-Welterbetags am Sonntag, 1. Juni, wurde das Projekt erstmals öffentlich präsentiert. Prof. Dr. Gerd Hirzinger vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, die 3D-Spezialisten Bernhard Strackenbrock und Jürgen Dudowits sowie der zuständige Referent der Bayerischen Schlösserverwaltung, Dr. Alexander Wiesneth stellten dabei nicht nur das Projekt vor, sondern gaben auch einen direkten ‚Einblick‘ in die beeindruckende Ergebnisse: Mit 3D-Brillen ging es auf eine ‚virtuelle‘ Führung durch den Saal des Markgräflichen Opernhauses, der derzeit renoviert wird und deshalb ‚real‘ nicht zugänglich ist.