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.