Fotogrammetrie


Fotogrammetrie – dreidimensionales Modellieren

Mellrichstadts Friedhof: fotogrammetrisch aufbereitet

Fotogrammetrie ist die „Wissenschaft vom Maßnehmen (Ausmessen) mit Fotos“. Sie wird am meisten bei Fernmessungen, Luftbildfotografie, Archäologie, Architektur und anderen Anwendungsbereichen benutzt, wo man Maße von Fotos ablesen muss. In den vergangenen Jahren ist die Fotogrammetrie immer populärer geworden und wird weitgehend angewandt, um dreidimensionale Modelldarstellungen aus Fotos herzustellen.

Das der Fotogrammetrie zugrunde liegende Prinzip ist: Während ein einzelnes Foto nur zweidimensionale Koordinaten hergeben kann, nämlich Höhe und Breite, kann man mit zwei einander überlappenden, nur geringfügig voneinander entfernt aufgenommenen Bildern die dritte Dimension (Tiefe) berechnen.

Das ist so ziemlich dieselbe Art und Weise, wie das menschliche Sehvermögen eine Tiefenwahrnehmung erzeugt, von den Bildern, die unsere beiden Augen projizieren.

Wir sind in der Lage, Objekte in drei Dimensionen zu sehen, deren Volumen, Entfernung und relative Größe abzuschätzen, und all das deswegen, weil wir stereoskopisch sehen können. Das resultiert aus der Tatsache, dass unser Gehirn zwei geringfügig unterschiedliche Bilder empfängt, verursacht durch die unterschiedlichen Positionen des rechten und des linken Auges und der zentrierten Blickrichtung des Auges.

Dieses Prinzip des stereoskopischen Sehens ist auch das der Fotogrammetrie zugrunde liegende Prinzip.

Wenn zwei Fotos vom selben Objekt von geringfügig verschiedenen Positionen aus aufgenommen werden, kann man die dreidimensionale Koordinaten von jedem beliebigen, in beiden Fotos vorhandenen Punkt berechnen. Die beiden Kamerapositionen schauen auf das Objekt von sogenannten „Sichtlinien“ aus. Diese Sichtlinien werden mathematisch gekreuzt, um die dreidimensionalen Koordinaten des erwünschten Punkts zu ermitteln. Dieses Prinzip der Dreiecks-Messung ist auch die Methode, wie unsere Augen zusammenwirken, um Entfernungen abzuschätzen.

Digitale Fotogrammetrie

Die rapide Entwicklung des Computers nach dem 2. Weltkrieg brachte auch den Anfang der analytischen Fotogrammetrie und von auf Algebra basierenden Formen mit sich, die die digitale Dreiecksmessung aus der Luft möglich machte. Das Aufkommen des digitalen Fotografierens und der weiterentwickelten Software für das Aufbereiten von Bild-Dateien ließ sich diese Entwicklung voll zu einer schnellen, praktischen  und interaktiven fotografischen Bildverwertung entfalten.

Heute gibt es auf dem Markt eine Fülle von Softwareprogrammen, die auf der Fotogrammetrie basieren. Einige basieren auf Mehrfach-Bildern und wenden die Prinzipen der Dreiecks-Messung an, etwa wie die 3-D-Scanner, während andere das Prinzip der Stereo-Bildverarbeitung benutzen.

Es muss jedoch daran erinnert werden, dass die Stereo-Bildverarbeitung kein fotografisches 3-D-Modellieren darstellt. Die Kamera ist nicht, wie auch das menschliche Auge nicht, in der Lage, zu berechnen, was sie nicht sehen kann. Sie kann zu erraten versuchen, ableiten, Durchschnittwerte ermitteln, Berechnungen anstellen und schätzen, alles auf der Grundlage der verfügbaren Informationen. Aber die echte Tiefenberechnung ist nur herzustellen, wenn das zur Debatte stehende Gebiet durch das Bildverarbeitungssystem aufgenommen worden ist. Auf zwei einander überlappenden Bildern gibt es große Teilbereiche, die sich nicht überlappen. Trotzdem, selbst wenn keine vollständige und analytisch genaue Information verfügbar ist, können interaktive Stereobilder beträchtlich unsere Wahrnehmung des Objekts verbessern. Das wird bei Reliefs, dreidimensionalen Oberflächen und groben Oberflächenstrukturen offensichtlich.

Fotogrammetrie, voll angewandt, wird andererseits versuchen, die fraglichen Bereiche aus einer Vielzahl von Blickwinkeln zu erfassen und es auf diese Weise ermöglichen, eine vollständige, messbare 3-D-Reproduktion des Gegenstands herzustellen.

Fotogrammetrie in Mellrichstadt

Eine der zentralen Anwendungen der Bildverarbeitung bei diesem Projekt war das kartografische Erfassen des Friedhofs, wobei ein genauer Plan des ganzen Areals hergestellt wurde und zugleich ein virtueller Zugang zu dem Areal; außerdem sollten die Gräber mit so vielen Informationen wie möglich verknüpft werden.

Zu diesem Zweck wurde auch Drohnen-Fotografie eingesetzt, und zwar vom Institut für die Erhaltung Kulturellen Erbes (Labor für Digitalisierung) von der Yale Universität, unter der Leitung von Direktor Professor Stefan Simon. http://ipch.yale.edu/about-ipch

Für die kartografische 3-D-Vermessung des Areals wurde in diesem Projekt die Agisoft Photoscan Software ausgewählt. Diese Software erlaubt eine unbegrenzte Anzahl von überlappenden Fotos, jeweils von verschiedenen Blickwinkeln um ein Objekt herum aufgenommen, die dann in eine umfassende Punktwolke („point cloud“)  überführt werden und ein hoch aufgelöstes, strukturiertes 3-D-Model entstehen lassen.