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==Konzeption und Verifikation eines Auswahlverfahrens für 3D-Scantechnologien==
https://ceur-ws.org/Vol-1443/paper12.pdf
Sabine Rathmayer, Hans Pongratz (Hrsg.): Proceedings of DeLFI Workshops 2015
co-located with 13th e-Learning Conference of the German Computer Society (DeLFI 2015)
München, Germany, September 1, 2015 19
Konzeption und Verifikation eines Auswahlverfahrens für
3D-Scantechnologien
Gregor Tallig1, Raphael Zender1 und Ulrike Lucke1
Abstract: Virtuelle Umgebungen sind am Arbeitsplatz und insbesondere für kritische Produkti-
onsplätze wertvolle Lernorte. In ihnen können gefahrlos Abläufe trainiert und simuliert werden,
bevor sie in die Realität übertragen werden. Aktuelle Entwicklungen um VR-Brillen und 3D-
Drucker erhöhen den Bedarf nach effizienten Mechanismen um Artefakte dreidimensional zu
digitalisieren. Aufgrund der breiten Auswahl an 3D-Scannern und deren unterschiedlichen Verfah-
rensweisen müssen Entwickler und Anwender dieser Systeme viel Zeit in den Vergleich investie-
ren, bevor sie eine fundierte Entscheidung für ein System treffen können. Dieser Beitrag bietet
nicht nur einen Überblick über eine Vielzahl relevanter Kriterien in Bezug auf 3D-Scanner, son-
dern schlägt zudem ein Verfahren zur Auswahl eines geeigneten 3D-Scansystems anhand indivi-
dueller Anwendungsszenarien vor. Ein erster Test zeigt die Anwendbarkeit des Selektionsverfah-
rens.
Keywords: 3D-Scanner, 3D-Modelle, Selektionsprozess
1 Einleitung
Technologien für die Erstellung und den Konsum von Anwendungen der Virtuellen
Realität (VR) werden zunehmend erschwinglich und in der Breite nutzbar. Dadurch
gewinnen VR-Anwendungen in verschiedenen Kontexten an Bedeutung – z.B. für simu-
lierte Lernumgebungen, insbesondere an Arbeitsplatz- und Produktionsequipment, des-
sen unsachgemäße Bedienung zu kostenintensiven Ausfällen führen würde. Dafür müs-
sen reale Umgebungen und Objekte in virtuellen Welten möglichst realistisch
nachgestellt werden. Dies ist nach wie vor ein aufwendiger Prozess. Vor allem drei An-
sätze und deren Hybride werden derzeit verfolgt:
(1) Virtuelle Räume und Modelle werden aufwendig manuell modelliert [Al14].
(2) Reale Umgebungen werden von einer 360°-Kamera filmisch aufgenommen
[HZ08]. Der Konsument kann diese anschließend bei freier Wahl der Blickrich-
tung beispielsweise mit einem Head Mounted Display (HMD) betrachten.
(3) Reale Umgebungen und Artefakte werden mit einem 3D-Scanverfahren abgetas-
tet und automatisiert in ein virtuelles 3D-Objekt überführt [BM02].
1
Universität Potsdam, Institut für Informatik und C.S., August-Bebel-Str. 89, 14482 Potsdam,
vorname.nachname@uni-potsdam.de
20 Gregor Tallig et al.
Vor allem Variante 3 überzeugt potentiell durch eine hohe Automatisierbarkeit, einen
geringen zeitlichen Aufwand für Laien und Flexibilität bei der späteren Nutzung des
Modelles. 3D-Scans sind somit vielversprechend für die zukünftige Nachbildung realer
Artefakte für virtuelle Umgebungen. Daher gibt es inzwischen eine Vielzahl von Hard-
warelösungen, die zum Scannen verwendet werden können. Je nach Anwendungsszena-
rio und dessen Rahmenbedingungen sind bestimmte Systeme besser oder schlechter für
den erforderlichen Scanvorgang geeignet.
Ziel dieses Beitrags ist es, für konkrete Anwendungsfälle eine Hilfestellung zur Auswahl
eines oder mehrerer Scanner bzw. Scan-Ansätze zu geben. Dafür wurde unter Auswer-
tung der Fachliteratur sowie einer Analyse aktueller Produkte auf dem 3D-Scan- Markt
ein umfassender Kriterienkatalog zur Unterscheidung der Lösungen erarbeitet. Dieser
Katalog kann über ein in diesem Beitrag vorgestelltes Selektionsverfahren mit den je-
weiligen Anforderungen eines Szenarios abgeglichen werden, um die Kaufentscheidung
für ein konkretes Gerät zu erleichtern.
2 Technische Grundlagen
Unter einem 3D-Scanner wird ein System bestehend aus Hard- und Software verstanden,
das mithilfe eines Mediums Abstandsinformationen zu realen Objekten gewinnt. Diese
Informationen werden zur Erstellung einer digitalen, dreidimensionalen Repräsentation
des physischen Originals genutzt. Dabei werden unterschiedliche Medien zur Erfassung
eingesetzt und demzufolge auch verschiedene Grade der Übereinstimmung von Original
und erfasster Kopie erreicht. Insbesondere optische Verfahren zeichnen sich durch eine
kostengünstige Umsetzung, unkompliziertes Setup und geringe Invasivität aus und wer-
den daher in diesem Beitrag fokussiert.
2.1 Genauigkeit und Auflösung
Übereinstimmung bezieht sich im 3D-Scanning-Kontext vor allem auf zwei Messgrö-
ßen: Genauigkeit und Auflösung. Genauigkeit bezeichnet die Abweichung eines physi-
schen Punktes zum digitalen, gescannten Pendant. Zusätzlich zur Genauigkeit entschei-
det auch die Auflösung eines Scanners über die Übereinstimmung des digitalen Objektes
mit dem physischen. Auflösung beschreibt die räumliche Abtastungsdichte, mit der der
Sensor die Abstandsinformationen erhebt [Wa04].
2.2 Verfahrensweisen
Die Erfassung von geometrischen Formen durch die Messung von Abständen ist von
einer Vielfalt unterschiedlicher Vorgehensweisen geprägt, die sich im Laufe der Ent-
wicklung von 3D-Scannern herauskristallisiert haben.
Konzeption und Verifikation eines Auswahlverfahrens für 3D-Scantechnologien 21
Die Menge der optischen Verfahren spaltet sich in aktiven und passiven Verfahren auf
[Ov15]. Je nachdem, ob ein System aktiv ein optisches Medium ausstrahlt – um davon
reflektierte, also zurück zum Sensor gesandte, Strahlen aufzunehmen – oder das bereits
in der Scanumgebung vorhandene lediglich passiv aufnimmt, zählt es zur einen oder
anderen Kategorie. Für einen Überblick empfehlen sich [OV15] und [Be88].
3 Verfahren für die Auswahl eines 3D-Scanners
Das entwickelte Auswahlverfahren fußt auf einem Vergleich von insgesamt 31 kontakt-
losen, optischen 3D-Scannern. Dieser umfasst Geräte wie zum Beispiel DAVID- SLS-2,
Creaform HandySCAN 700, Kinect v2, Csiro Zebedee, Makerbot Digitizer oder auch
den Structure Sensor. Die Auswahl der 3D-Scansysteme orientiert sich an aktuell ver-
fügbaren und genutzten Systemen. Dabei werden Lösungen für Endkonsumenten aber
auch für industrielle Anwendungen betrachtet, wobei das Augenmerk auf Ersteren liegt.
Die Systeme wurden hauptsächlich auf Basis zweier Webseiten, die 3D-Scanner Über-
sichten bieten, ausgewählt: 3druck.com und aniwaa.com. Durch die Angaben der Her-
steller und gezielte Nachfragen konnten die Kriterien erhoben werden. Die Webseiten
wurden aufgrund ihres angebotenen Umfangs und ihrer Detailiertheit ausgewählt. Zum
Vergleich der verschiedenen 3D-Scanner wurden vor allem Kriterien erarbeitet, die
möglichst solche Merkmale beschreiben, die für Anwendungsszenarien besonders von
Bedeutung sind und diese gut voneinander abgrenzbar machen.
Die erhobenen Kriterien werden erläutert, um darauf aufbauend an einem Beispiel die
Anwendung des Auswahlverfahrens zu demonstrieren.
3.1 Kriterienkatalog
Nachfolgend werden alle Kriterien samt ihrer Werte, die sie in diesem Vergleich anneh-
men können, kurz erläutert. Zur besseren Übersicht wurden sie in drei Gruppen einge-
teilt: Superkriterien, Basiskriterien und technische Kriterien. In Tab. 1 werden die Su-
perkriterien beschrieben. Anschließend folgen die Basiskriterien in Tab. 2. Die
technischen Kriterien umfassen Geschwindigkeit, Genauigkeit, Auflösung, minimale
sowie maximale Reichweite, vertikales und horizontales Sichtfeld eines 3D-Scanners.
22 Gregor Tallig et al.
3.2 Anwendung am Beispiel
Das entwickelte Auswahlverfahren wurde mit einem exemplarischen Anwendungs-
szenario einem ersten Test unterzogen. Hierbei sollte ein ca. 8,8m x 6,7m x 2,8m großes
Labor inkl. Einrichtung durch eine beliebige Person ohne Vorkenntnisse gescannt wer-
den. Aus dem Anwendungsszenario lassen sich Anforderungen in Form der Kriterien des
Vergleichs extrahieren.
Superkriterien
Kriterium Beschreibung Mögliche Werte
Da ausschließlich kontaktlose, optische Verfahren
Oberklasse betrachtet wurden, wird nur in „Aktiv“ und „Passiv“ Aktiv / Passiv
unterschieden.
Triangulation, Imaging
Hier wird eine Unterteilung anhand von Unterkate-
Radar, Inferometrie
Vorgehensart gorien der aktiven und passiven Verfahren vorge-
(vgl. [OV15] und
nommen.
[Be88])
Verarbeitungs-
Können Daten in Echtzeit visualisiert werden? Ja / Nein
synchronität
Beschreibt, wie der 3D-Scanner im Raum bewegt
werden kann. Freie Systeme weisen den höchsten Frei / Zentriert / Sta-
Multi- Grad der Bewegungsfreiheit auf, zentriert und sta- tischoffen / Statisch-
perspektive tisch-offen unterscheidet sich nur anwendungsspezi- zentriert / nicht multi-
fisch. Statisch-zentriert beschränkt die Bewegungs- perspektiv
freiheit am stärksten.
In welchen Abständen zum Objekt kann ein Scanner Nah / Mittel / Weit /
Reichweite
betrieben werden. Uneingeschränkt
Simultaner Welchen Bereich kann der Scanner mit einer Mess-
Punkt /Linie / Fläche
Scanbereich datenerhebung gleichzeitig erfassen?
Gibt die Möglichkeit an, das System während der Mobil / Eingeschränkt /
Mobilität
Scanoperation zu bewegen. Nicht mobil
Tab. 1: Die Superkriterien und ihre möglichen Werte
Konzeption und Verifikation eines Auswahlverfahrens für 3D-Scantechnologien 23
Basiskriterien
Kriterium Beschreibung Mögliche Werte
Kosten Hier werden die Kosten in Euro angegeben. Kosten in €
Welches Medium verwendet das System um Ab-
stände zu realen Objekten zu messen? Hieraus lassen
Benutztes
sich erste Aussagen darüber treffen, welche Oberflä- Licht / Infrarot
Medium
chen mit welcher Beschaffenheit nicht erkannt wer-
den.
In welchem Bereich kann das System ohne Nutzer-
eingriff Messdaten erheben? Dies muss nicht das
Scanvolumen Scanvolumen [m³]
Volumen sein, das der Scanner zeitgleich erfasst,
z.B. wenn der Sensor motorisiert ist.
Erfasst der Scanner zusätzlich zur Objektgeometrie
Texturen auch dessen farbliches Aussehen? Somit liegt das Ja / Nein
digitale Modell mit einer Textur vor.
Die Zugänglichkeit des Systems für den Benutzer
gliedert sich in 4 Stufen:
4: programmierbar
Zugänglichkeit 4/3/2/1
3: Software (z.B. SDK) und Anschluss vorhanden
2: lediglich Hardware-Anschluss vorhanden
1: keine mitgelieferte Software und kein Anschluss
Tab. 2: Die Basiskriterien und ihre möglichen Werte
Somit kann der in Abb. 1 dargestellte Selektionsprozess exemplarisch durchgeführt
werden, wobei 3D-Scanner aufgrund unpassender Kriterienbelegungen schrittweise
aussortiert werden. Der beschrittene Pfad ist im Diagramm hervorgehoben. Die Kriteri-
enklassen finden hierbei in absteigender Mächtigkeit Anwendung auf die 31 verschiede-
nen 3D-Scanner. Tab. 3 zeigt drei von sechs der für dieses Szenario eingeschränkten
Kriterien und ihre zulässigen Werte sowie je eine kurze Begründung.
Kriterium Zulässige Werte Kurze Begründung
Drehung um eigene
Multiperspektive Frei / Statisch-offen
Achse erforderlich
Mittel / Weit / Uneinge- „Nah“ aufgrund von
Reichweite
schränkt Zeitaufwand
Zeitsparender Scanpro-
Mobilität Ja / Eingeschränkt zess ohne Umbaumaß-
nahmen gewünscht
Tab. 3: Einige für das Szenario eingeschränkte Kriterien, ihre zulässigen Werte und eine
Begründung für die Einschränkung
Das Ziel, einen Raum einzuscannen, wurde mit dem gewählten Scanner (Kinect v2)
erreicht. Abb. 2 gibt einen Einblick in die Qualität des erzeugten Raummodells. Es exis-
tiert eine Vielzahl von Löchern, an deren Stellen keine Scandaten erhoben wurden.
24 Gregor Tallig et al.
Abb. 1: Prozess zur Auswahl eines 3D-Scanners auf Basis der erhobenen Scanner (der im Beispiel
genommene Pfad wurde hervorgehoben)
Abb. 2: Das erzeugte 3D-Modell des Labors mit Löchern
Die erforderliche Nachbearbeitung stellte eine anspruchsvolle Aufgabe dar und verdeut-
licht, dass im Gegensatz zur ursprünglichen Anforderung, doch Multimedia- Kenntnisse
vorhanden sein müssen, um einen 3D-Scan vollständig durchzuführen.
Im Hinblick auf den Scanvorgang ergeben sich weitere Aspekte, die eingangs anders
Konzeption und Verifikation eines Auswahlverfahrens für 3D-Scantechnologien 25
erwartet wurden. Beispielsweise wies der Vorgang eine geringe Intuitivität auf, da der
kabelgebundene 3D-Scanner wackelarm bewegt werden musste.
Die gewählten Kriterien spiegelten in diesem Szenario Anforderungen hinsichtlich gro-
ßem Scanbereich und hoher Intuitivität wider. Andere Szenarien, wie zum Beispiel ein
automatisiertes Scannen kleiner Figuren, können hier den Fokus auf hohe Genauigkeit,
Texturerfassung und Programmierschnittstellen richten.
4 Diskussion
Im Folgenden wird das Auswahlverfahren reflektiert. Dabei wird darauf eingegangen,
inwieweit der in dieser Arbeit vorgestellte Vergleich die trotz des erfolgreichen Erfüllens
des exemplarischen Anwendungsszenarios aufgetretenen Probleme verhindern hätte
können und warum diese nicht bereits vor der Festlegung auf den ausgewählten Scanner
zu erkennen waren.
Das Operieren des 3D-Scanners im durchgeführten Anwendungsszenario mit lediglich
einer Person war problembehaftet. Allerdings hätten diese Schwierigkeiten womöglich
durch die Eingrenzung der Mobilität auf ausschließlich „mobil‟ ausgeschlossen werden
können. Fraglicher sind hier die nötigen Kenntnisse zum Anfertigen eines Scans. Denk-
bar wäre ein Maß für die Benutzerfreundlichkeit des Systems und insbesondere der
Software. Diesen Wert für alle 3D-Scanner zu erheben, ist jedoch schwierig und kaum
objektiv machbar, da ohne Herstellerangaben jedes System einzeln getestet werden
müsste.
Ebenfalls hilfreich könnte ein Kriterium sein, das Aufschluss über die Fehlerrate der
Scandaten gibt, die z.B. falsch gesetzte oder auch ausgelassene Punkte einschließt. Aber
auch hierzu fehlen zumeist Informationen, weshalb zeit- und ressourcenlastige Selbst-
versuche erforderlich sind. Alternativ könnten unabhängig erstellte Beispiel- Scandaten
zur Verfügung gestellt werden, anhand derer vor der finalen Auswahl ein subjektiver
Eindruck gewonnen werden könnte. Diese sind in einigen Fällen bei ausreichender Re-
cherche zu finden und wurden direkt von Nutzern angefertigt. Fragwürdig sind hier
Qualität und somit Aussagekraft der einzelnen Scandaten.
Allgemeiner und unabhängig vom beschriebenen Anwendungsszenario bleibt abzuwä-
gen, ob die Genauigkeit eines Systems zu wenig Beachtung fand. Bisher findet sie als
technisches Kriterium als letzte Instanz Einzug in die Auswahl eines Systems und lässt
sich aufgrund der Gerätevielfalt nur eingeschränkt vergleichen. Eine Vielzahl von Sze-
narien mag aber auf dieses Kriterium besonderes Augenmerk legen. Trotzdem kann
davon ausgegangen werden, dass zunächst die zulässigen Super- und Basiskriterien-
Werte zutreffen müssen, da das System sonst generell nicht zum Szenario passt.
Gravierender ist der Umstand, dass beispielsweise das System Zebedee von Csiro nicht
26 Gregor Tallig et al.
beim Auswahlverfahren für das exemplarische Anwendungsszenario hervortrat. Das
System wurde unter anderem zum 3D-Abbilden von Höhlen konzipiert. Es mangelte ihm
an der Verarbeitungssynchronität sowie am linien- bzw. flächenweisen simultanen Scan-
bereich. Das Ausscheiden aufgrund dieser zwar zutreffenden Tatsachen ist korrekt, je-
doch würde sich dieser Scanner vermutlich ebenso zum Scannen eines Raumes eignen
wie die ausgewählte Kinect. Hier hätte auf das synchrone Verarbeiten verzichtet werden
können, da der Scanner weitgehend automatisiert die Umgebung abtastet. Daher würde
die punktweise Erhebung von Abstandsdaten nach derzeitigem Erkenntnisstand keine
Beeinträchtigung hinsichtlich Intuitivität und Schnelligkeit des eigentlichen Vorhabens
darstellen. Vor dem Aussortieren anhand der Kosten, hätte dieses System zur Auswahl
stehen müssen. Dies stellt durchaus eine Schwachstelle des Vergleichs und des Aus-
wahlverfahrens dar und könnte sich durch ein weiteres Kriterium mit Aussage über die
Automatisierung eines 3D-Scanners und ein entsprechend angepasstes Vorgehen bei der
Auswahl beheben lassen. Auch eine Verkettung von vorhandenen Kriterien zur Abbil-
dung derartiger, neuer Kriterien ist denkbar. Andererseits ist dieses spezielle Kriterium
bereits implizit im Scanvolumen enthalten. Hierdurch könnte daher eine Anpassung des
Auswahlverfahrens genügen.
Trotz der diskutierten Herausforderungen und der Notwendigkeit die Kriterien hinsicht-
lich des Anwendungsszenarios einzuschätzen, bietet das vorgestellte Verfahren durch
den vorgegebenen Selektionsprozess und die erarbeitete Datenbasis von 31 in die ver-
schiedenen Kriterien eingeordneten 3D-Scannern bereits jetzt einen Mehrwert.
5 Zusammenfassung und Ausblick
Durch das Abtasten realweltlicher Objekte können VR-Erfahrungen mit physischen 3D-
Artefakten und Orten verbunden werden. Aufgrund der aktuellen technologischen Viel-
falt im Bereich der 3D-Scanner ist es jedoch für Entwickler und Anwender eine Heraus-
forderung für einen konkreten Fall eine geeignete 3D-Scantechnologie zu wählen. In
diesem Beitrag wurde ein Selektionsverfahren auf Grundlage eines aktuellen Kriterien-
katalogs sowie den Anforderungen aus den jeweiligen Szenarien vorgeschlagen. Die
Anwendbarkeit des Verfahrens wurde in einer Fallstudie für den Scan eines Laborraums
nachgewiesen und offene Herausforderungen und Probleme diskutiert. Weitere Anwen-
dungen des Verfahrens sind erforderlich um die Güte der Lösung zu erheben und die
Anwendbarkeit des Verfahrens fundiert zu verifizieren. Beispielsweise hat sich während
der Fallstudie herausgestellt, dass weitere Kriterien sinnvoll sind, auch wenn diese oft
nicht ohne konkreten Test einer Technologie bestimmt werden können (z.B. Fehlerrate).
Ein wesentlicher Ansatz für weitere Arbeiten auf diesem Gebiet ist, dass die einzelnen
Kriterien/Systeme aufgrund des schnellen technologischen Fortschritts schnell veraltet
sind – auch wenn die grundsätzlichen Ansätze bisher beibehalten wurden. Kriterien und
Scanner-Systeme müssten daher regelmäßig gepflegt und aktualisiert werden, um auch
längerfristig eine Hilfestellung geben zu können. Dies ist beispielsweise über eine Onli-
Konzeption und Verifikation eines Auswahlverfahrens für 3D-Scantechnologien 27
ne-Community zum Thema möglich. Diese könnte durch eine Art Crowd-Sourcing-
Ansatz auch dabei helfen Eigenschaften einzelner Systeme durch Nutzertests zu unter-
mauern und somit die Zuverlässigkeit der Auswahl zu steigern.
Literaturverzeichnis
[Al14] Ali, N. et al.: The Effect of Multimodal Virtual Chemistry Laboratory on Students’
Learning Improvement. In: Augmented and Virtual Reality, LNCS 8853, Springer, S.
65-76, 2014.
[Be88] Besl, P. J.: Active optical range imaging sensors. Machine Vision and Applications
1/88, Springer, Berlin, S. 127-152, 1988.
[BM02] Boehler, W.; Marbs, A.: 3D scanning instruments. In: Proceedings of the CIPA WG 6
International Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording, FH Mainz, S. 9-
12, 2002.
[HZ08] Huang, F.; Zhi-Hao, L.: Stereo Panorama Imaging and Display for 3D VR System. In:
Congress on Image and Signal Processing 2008 (CISP '08), IEEE Computer Society,
S. 796-800, 2008.
[Ov15] Overview of active vision techniques, http://www.cs.cmu.edu/~seitz/course/
Sigg00/slides/curless-active.pdf, Stand: 10.06.2015.
[Wa04] Waldraff, T.: Digitale Bildauflösung. Grundlagen, Auflösungsbestimmung, Anwen-
dungsbeispiele. Springer, Berlin, 2004.