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Ausprobiert: 3D-Scanner Scan In A Box

Wer reale Objekte in den Maschen eines 3D-Oberflächenmodells einfangen will – egal, ob es sich um Maschinenteile, Baudenkmäler oder geliebte Angehörige handelt – hat die Wahl zwischen verschiedenen Methoden. Für Dinge, die sich nicht bewegen, ist das sogenannte Structured-Light-Verfahren bewährt, das auch beim 3D-Scannen mit der Kinect der ersten Generation zum Einsatz kommt. Bei dieser Methode werden nacheinander verschiedene Gittermuster auf das Zielobjekt projiziert. Seitlich davon ist eine Kamera angebracht, die die Verzerrungen des Musters durch die Oberflächenform aufnimmt. Aus einer Reihe solcher Aufnahmen kann dann das 3D-Modell berechnet werden.

Out of the Box

Beim System namens Scan in a Box vom italienischen 3D-Scanner-Hersteller Open Technologies liefert ein Mini-Beamer die Lichtmuster. Der Beamer sitzt zentral auf einer rund 40 cm langen Metallschiene, auf der noch zwei Industriekameras angebracht sind. Die Schiene pflanzt man auf ein handelsübliches Fotostativ und kann dann – nach der notwendigen Kalibrierung mit Hilfe einer speziell gemusterten Platte – Objekte ins Visier nehmen, die sich in einer Entfernung zwischen 20 cm und gut 110 cm vor dem Scanner befinden. Das maximale Scan-Feld, also die Objektansicht vom Scanner aus, misst dabei 50 cm × 40 cm. Der Name des Scanners lag bei unserem Testmuster auf der Hand, denn wir bekamen in einem kastenförmigen Rucksack geliefert, der mit Ausnahme des notwendigen Rechners alle Teile des Systems enthielt, inklusive des automatischen Drehtellers. Drehteller und Rucksack sind allerdings optionales Zubehör, das Grundsystem besteht aus der Beamer-Kamera-Kombination, dem passenden Stativ und nicht zuletzt der Software names Idea von Open Technologies. Interessanterweise tauchen weder die Software noch der Scanner auf der Webseite des Herstellers selbst auf, sondern nur bei dessen Vertriebspartner Comprise oder auch beim Wiederverkäufer Conrad.

Kalibrierung

Je nach Distanz zwischen Objekt und der Beamer-Kamera-Kombination muss man die Position und den Sichtwinkel der Kameras von Hand verstellen – unter Einsatz eines beiliegenden Inbusschlüssels. Das Sichtfeld und damit die maximale Größe des zu scannenden Objekts ändern sich dabei, und nach jedem Wechsel der Distanz muss der Scanner in der Software neu kalibriert werden. Das Verfahren ist in der beiligenden Anleitung ausführlich beschrieben, wird in der Software zudem von einem Assistenten begleitet und geht flott von der Hand, wenn man es ein paar mal gemacht hat – einen Eindruck davon vermittelt unser Video.

Grob gesagt muss man zunächst die Kameras im korrekten Winkel ausrichten, dann die Belichtung auf die herrschenden Verhältnisse einstellen, den Fokus von Hand optimieren und dann dreimal drei Bilder eines mitgelieferten Kalibriermusters aus verschiedenen Blickwinkeln aufnehmen.

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Beim Einstieg erwies sich die dem Scanner beiliegende, gedruckte Anleitung zum Kalibrieren mit der Musterplatte allerdings an einer Stelle als etwas missverständlich: Da soll die Kalibrierplatte "von oben" und "von unten" aufgenommen werden. Auf der Abbildung sieht das so aus, als sollte dabei die optische Achse des Scanners auf seinem Stativ nicht gekippt werden. Beim ersten Versuch haben wir deshalb den ganzen Apparat auf dem Stativ nur hoch- und dann wieder heruntergeschoben, dabei schlug dann der Kalibriervorgang fehl. Erst als wir beim nächsten Anlauf nicht nur die Höhe verstellten, sondern auch den Scanner auf dem Stativkopf kippten, sodass in den Kameras stets das Zentrum der Kalibrierplatte zu sehen war, klappte alles – und so ist der Vorgang auch in der als PDF vorliegenden deutschen Anleitung gezeigt. Ebenfalls verwirrend: Der Beamer ist HD-fähig, soll aber laut Anleitung auf eine Auflösung von 1200 × 800 Pixeln eingestellt werden – tut man das nicht, verweigert die Software die Zusammenarbeit.

Ist der Scanner aber erst mal auf eine Entfernung eingestellt, kann man ohne weiteres Nachjustieren Objekte passender Größe flott hintereinander weg scannen.

Mehrfachbelichtung

Eine einzige Structured-Light-Aufnahme ist stets nur ein 3D-Schnappschuss, weil sich darin nicht niederschlägt, was bei der Projektion abgeschattet wird oder nicht im Sichtfeld der Kamera liegt. Deshalb lassen sich mehrere Scans zu einem 3D-Modell kombinieren, zwischen denen man das Objekt etwas dreht – allerdings nicht zu weit, um noch genügend Überlappung zum vorigen Scan zu haben.

In der Software liegen die Scans dann aber noch nicht zueinander ausgerichtet vor. Doch es gibt einen bequemen Mechanismus für deren Orientierung: Man definiert einen 3D-Schnappschuss als fest, einen als beweglich und markiert dann in den parallel angezeigten 3D-Darstellungen drei markante Punkte, wodurch die Software beide Scans in ungefähre Deckung bringen kann. Schließlich ruckelt man das noch durch wiederholtes Klicken auf den "Align"-Knopf zurecht, wobei die Software die Summe der Distanzen zwischen den Scans zu minimieren versucht. So sind auch ein Dutzend 3D-Einzelaufnahmen eines Objekts in wenigen Minuten aneinander ausgerichtet. Aus der so verdichteten Punktwolke erzeugt die Software dann auf Wunsch 3D-Gittermodelle mit oder ohne farbiger Oberfläche, in den Dateiformaten STL, OBJ, PLY oder OFF. Dafür gibt es verschiedene Presets, wenn es mal schnell gehen soll, ansonsten kann man aber auch alle Parameter selbst einstellen, etwa fürs Glätten oder automatische Stopfen von Löchern.

Karusell

Bequemer als durch Drehen von Hand gelingt der Rundum-Scan mit dem optionalen Drehteller, der bis zu 10 kg schwere Objekte zu tragen vermag. Auch den Teller muss man einmal in seiner Position zum Scanner kalibrieren, aber dann ist nur noch ein Knopfdruck nötig und er dreht das Objekt in der gewünschten Zahl von Schritten (und damit Einzeln-Scans) einmal rundherum. Da die Software die Position des Tellers kennt, sind die einzelnen Aufnahmen am Ende bereits fertig aneinander ausgerichtet.

Klaffen anschließend immer noch Lücken im Oberflächennetz, kann man auch mehrere Drehtellerscans kombinieren. Dazu legt man das Objekt nach jeder Runde automatisch ausgerichteter Scans in eine andere Position und startet den nächsten Durchgang. Die in sich bereits automatisch ausgerichteten Scan-Reihen muss man zwar dann noch mit dem oben beschriebenen manuellen Verfahren global aneinander ausrichten, aber das ist in der Regel schnell erledigt.

Fazit

Was aus dem Scanner herauskommt, ist mit einem Photogrammetrie-Modell aus kostenloser Software, einem Scan mit der Kinect oder auch von einem Laserlinien-Lichtschnitt-Scanner nicht zu vergleichen: So zeichnete sich beim Scan eines selbstgebastelten und bemalten Pappmodell ein unter der Farbschicht verborgener Klebestreifen deutlich dreidimensional ab. Bei einer – wegen der glänzenden Oberfläche – mit Mattierungsspray vorbehandelte 2-Euro-Münze waren Motiv und Sterne deutlich zu erkennen, die Jahreszahl aber mehr zu erahnen. Hier kommt das Gerät schließlich doch an seine Grenzen. Positiv hervorzuheben ist die Software, die das Ausrichten einzelner Teilscans zu einem rundum erfassten 3D-Objekt entscheidend erleichtert.

Auf der anderen Seite hat das System seinen Preis: Los geht es bei 2839 Euro, unser Test-Equipment samt Rucksack und Drehteller ergeben unter Strich Anschaffungskosten von stolzen 4197 Euro. Zum Vergleich: Die Stereo-Version des aktuellen David-Laserscanners (inzwischen unter dem Dach von HP) kostet ungefähr dasselbe, allerdings ohne Drehteller. Bei solchen Systemen bezahlt man nicht nur die verbauten Hardware-Komponenten – eine einzelne Industriekamera kann auch schon mehrere hundert Euro kosten – sondern auch die Integration in ein reibungslos zu bedienendes Produkt. Die ist beim Scan In A Box durchaus gelungen. (pek)