Panorama Fotografie

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. 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.