Jeder kann relativ einfach 3D-Scans erstellen, vor allem nach einem kurzen Workshop zum Thema. Die Nutzung der Daten scheint aber immer noch eine Hürde darzustellen.

Doch warum?

Daten sind unübersichtlich, fremde Formate, 3D-Software wirkt einschüchternd!

Die allermeisten Modelle, die ich bisher erfasst habe, waren Teil von Präsentationsprojekten (z. B. Online-Ausstellungen) oder zur einmaligen Dokumentation wichtiger oder einzigartiger Objekte. Da ich immer neben den 3D-Daten auch verzerrungsfreie Renderbilder und Schnittbilder in meine Protokolle einarbeite, werden die eigentlichen Daten nicht angefasst, sondern nur archiviert.

Schlimmer noch: Der größere Teil der online gezeigten Modelle wird nach dem Ende der Ausstellung/Projekts wieder depubliziert. Daten geraten mitunter in Vergessenheit und Objekte werden unter Umständen erneut gescannt.

Der Umgang mit den 3D Daten ist einfach noch zu ungewohnt, die abgeleiteten simplen Renderbilder ausreichend, und wenn neue Abbildungen benötigt werden, wird das originale Objekt wieder aus dem Magazin geholt und fotografiert, anstatt neue hochauflösende 3D-Renderings anzufertigen.

Der etablierte Arbeitsablauf ist so stark eingeübt, dass viel Potenzial ungenutzt bleibt.

Wie können 3D Modelle leichtern nutzbar werden

Die größte Hürde ist die Menge an Daten, die nach einem 3D-Scan anfällt.

• Rohdaten (Bilder oder Punktwolken in verschiedenen Formaten)
• 3D-Daten wie OBJ, FBX, GLTF und die dazugehörigen Indizes und Texturen
• fertige Renderings
• Schnitte als Vektordaten (SVG)
• Arbeitsprojekte im Metashape-Format oder anderen exotischen Formaten
• STL und 3mf Daten für eventuelle 3D-Drucke

Der Großteil der späteren Nutzer verwendet eine Windows Version auf ihren Geräten, die meist von Dritten verwaltet wird. Viele dieser Dateien lassen sich nicht ohne die korrekte Zusatzsoftware auf Windows öffnen. Es müssen also Programme zusätzlich installiert und gelernt werden, doch welche? Was soll ich von meinem Admin installieren lassen? Kostet das etwas? Werden weitere Programme für die anderen Daten gebraucht?

Um diese Hürden ein wenig abzubauen, plädiere ich für ein frei verfügbares Programm, mit dem die meisten Probleme gelöst werden können.

Blender als Container

Seit Jahrzehnten existiert die frei verfügbare Software Blender 3D und wird kontinuierlich weiterentwickelt. Mittlerweile ist die Benutzung der Oberfläche stark vereinfacht worden, sodass auch ungeübte Personen leichter ihre ersten Schritte am Modell unternehmen können.

Das Programm ist fast eine Art Schweizer Taschenmesser für Kreative, denn es enthält zahlreiche Fähigkeiten wie 3D-Modellierung, 2D-Zeichentools, Scripting, Audiobearbeitung und Videoschnitt und einiges mehr.

Die Blender-Projektdateien sind aber in allererster Linie ein Container für unterschiedliche Medien. So kann ich neben den 3D Daten auch zusätzliche Bilder, PDFs und Texte direkt in der .blend-Datei ablegen.

Im Folgenden möchte ich die wichtigsten Funktionen für archäologische und Museumsobjekte vorstellen, wie sie in Blender zur Verfügung gestellt werden können. Ohne Tage und Wochen damit zuzubringen, alle Aspekte der Software zu lernen.

3D Daten

Der Hauptzweck einer .blend-Datei ist natürlich, 3D‑Daten zu visualisieren und nach Bedarf zu manipulieren.

Seit Version 3 von Blender haben wir mehrere Schaltflächen, um den 3D Viewer einfach mit der Maus zu verwenden, ohne auf komplexe Tastaturkürzel zurückgreifen zu müssen.

Im 3D-Viewer haben wir oben rechts ein Koordinatengizmo. Dieses rotiert mit der Ansicht und dient als Orientierungshilfe. Die 3 Achsen sind mit X, Y und Z beschriftet und können angeklickt werden. Um die Ansicht auf die jeweilige Richtung zu fokussieren. (Alternativ Mausrad drücken zum Rotieren oder die Zahlen auf dem NUM Block für feste Ansichten)

Darunter haben wir eine Lupe, mit der wir herein- und herauszoomen können. (Alternativ durch Drehen des Mausrads oder durch Halten der STRG-Taste + Drücken des Mausrads)

Und eine Hand, um die Ansicht zu verschieben. (Alternativ Shift + Mausrad drücken)

Dies sind die grundlegenden Bedienungen für den 3D-Viewer als Einstieg.

Text und Kontext

3D-Funde benötigen immer auch Kontext, Dafür ist es wichtig, beschreibende Elemente mit in der 3D-Datei zu haben. So entfällt die Zeit, nach der korrekten Dokumentation des Objektes zu suchen und ein zweites oder drittes Fenster zu öffnen.

Blender verfügt über einen internen Texteditor, grundlegende Funktionen mitbringt.

Dieser kann über ein Unterfenster eingebunden werden. Hier habe ich eine bestehende Objektbeschreibungsvorlage direkt integriert.

Es können beliebig viele Texte in Blender integriert werden.

Alternativ können auch Abbildungen und Referenzbilder importiert werden.

Einzelne Bereiche der Objekte können auch direkt mit dem Annotation-Tool markiert und für später gespeichert werden. So können Details hervorgehoben oder Fehlstellen markiert werden.

Messen

Auf den Modellen können direkt Messungen und Anmerkungen vorgenommen werden. Dafür ist in Blender standardmäßig ein Messtool (linker Bildschirmrand) vorhanden.

Weitere Messungen wie Volumen und Oberflächen können mithilfe des Blender-eigenen 3D Print Toolbox-Addons berechnet werden.

Schnitte

Mithilfe boolscher Operationen lassen sich schnell Bereiche aus den Modellen heraustrennen oder einzelne Querschnitte erzeugen.

Diese Profile können mit wenigen Klicks gerendert werden oder als Kurven exportiert und in Vektorprogrammen (InDesign, Affinity Designer, CAD …) weiterverwendet werden.

Rendern

Von Haus aus verfügt Blender über drei unterschiedliche Render-Engines. Die realistischsten Ergebnisse erreicht man mit Cycles, welches aber relativ ressourcenintensiv ist. Auch Eevee kann fotorealistische Ergebnisse erzielen, benötigt aber mehr Finetuning in den Einstellungen. Dafür verkürzt sich die Renderzeit stark.

Cycles Render

Workbench Render

Für Oberflächen Renderings, die nur die Struktur des Objektes wiedergeben, eignet sich die Workbench-Engine am besten. Hier liegt die Renderzeit bei nur wenigen Sekunden.

Normalerweise rendere ich 4–8 Ansichten pro 3D-Scan in Cycles und einmal in der Workbench-Engine. Diese dienen eher nicht zur direkten Publikation, sondern der Bebilderung des Protokolls und als Vorschaubilder.

Line Art Render

Die genauen Rendereinstellungen werden in einem Folgebeitrag vorgestellt.

Asset Browser

Eine wichtige Neuerung in Blender ist der Asset-Browser. In diesem können Bibliotheksverzeichnisse bestimmt werden, in denen 3D-Modelle zentral gespeichert werden können. Diese können jederzeit direkt in neue Dateien importiert werden.

Durch diese zentrale Aufbewahrung können Grabungen und Sammlungen komplett gesichert und im schnellen Zugriff gehalten werden.

Ausblick

Diese Funktionen sind nur ein kurzer Einblick in die Möglichkeiten von Blender in Forschung und Visualisierung in Blender 3D.

Der Hauptvorteil liegt für mich darin, dass eine .blend-Datei ein komplettes Objekt und dessen Referenzen sowie schriftliche Dokumentation enthalten kann. So ist alles Benötigte schnell zur Hand. Gleichzeitig lässt sich das komplette Interface auch zusätzlich anpassen und viele Funktionen automatisieren.

In folgenden Beiträgen gehe ich genauer auf 3D Rendern, die Benutzung des Asset-Browsers, Schnitte und Rekonstruktionen sowie weitere Funktionen in Blender 3D ein.

Ich versuche gerade eine Zweite Blumenbank für die Küche zu bauen und experimentiere mit Formen.

Entwurfsphase und interne Kommunikation​

Am Beginn eines jeden Projektes stehen schnelle grobe Skizzen, aus einfachen Grundkörpern zusammengesetzte Blockouts und experimentelle Formen. Dieses Suchen der Struktur kann zu vielen interessanten Ideen führen, die sich mitunter weniger gut im Team kommunizieren lassen. Skizzen auf Papier und erste grobe CAD Formen leben meist von der Idee des Schaffenden und lassen sich schwierig in Worte oder in Relation zu bestehender Bebauung setzten. Mittels schneller additiver Prototypen lassen sich diese Zusammenhänge im Modell abbilden und leicht im Team kommunizieren. Für eine bessere Übersicht eignen sich auch klein räumige Umgebungsmodelle, anhand derer die bestehende Bebauung sowie die ersten Gebäudeprototypen in Zusammenhang gesetzt werden können.

Gerade wenn Sie viele spezielle oder selbst entworfene Elemente verwenden möchten, können Sie erste Entwürfe schnell drucken und testen wie diese ersten Prototypen von z.B. Friesen, Ziegeln, Kacheln und Stuckverzierungen in der realen wirken. Auch können diese Drucke die Absprachen mit den späteren Zulieferern spürbar beschleunigen einen Vorsprung in den Herstellungsprozessen geben.

Schnelle 3D Drucke erleichtern die Kommunikation im Team und intensivieren durch die zusätzliche fühlbare Sinnebene die Wahrnehmung erster Entwürfe. Auch das Anpassen in bereits bestehende Strukturen lässt sich mit einfachen Blockout Drucken schnell testen. Stellen Sie innerhalb weniger Tage eine komplette Entwurfsreihe her und testen Sie diese sowohl im Team als auch mit Ihren Projektpartnern.

Kundenkommunikation und Wettbewerbe

Additiv gefertigte Modelle können komplexe Sachverhalte und Formen, schnell auch weniger digital affinen Projektpartnern erklären. So kann die abstrakte Welt der CAD-Daten leicht zu Missverständnissen führen. Um diese zu vermeiden, können haptische Modelle eine hilfreiche Besprechungsgrundlage bilden.

Häufig werden direkt vom Auftraggeber oder den ausschreibenden Institutionen, Modelle der Entwürfe gefordert. Um diese anschließend zu prüfen und zu vergleichen. Je nach gewünschter Größe können Tage oder Wochen vergehen, bis Sie Ihr fertiges Modell verwenden können. Diese Durchlaufzeit lässt sich mit 3D gedruckten Modellen erheblich verkürzen. Es muss auch nicht immer ein komplett gedrucktes Modell sein. Auch einzelne wichtige oder komplexe Elemente (bestehende Statuen, abstrakte Formen, Blickfang Elemente …) lassen sich 3D drucken und können Ihrem konventionellen Modell genau den Kick geben, der Sie von der Konkurrenz absetzt.

Ein noch aus der Anfangszeit der additiven Fertigung stammender Vorwurf an gedruckte Objekte ist die schlechte Oberflächenqualität. Und ja, einige Verfahren und Techniken erzeugen leichte Rillen auf der Oberfläche oder weniger schöne Kontaktflächen zu den benötigten Stützstrukturen hin.

Allerdings lassen sich diese Makel mit der Wahl korrekter Parameter stark begrenzen, zum anderen gehört eine umfassende Nachbearbeitung mit zu unseren Aufgaben und Kompetenzen. Mittels neuer Techniken wie dem maskierten Stereolithografieverfahren (MSLA) und ähnlichen Resinbasierten Druckverfahren lassen sich schon direkt nach dem Druck erhebliche Unterschiede am Rohmodell feststellen, die zu einem extrem detaillierten und doch glatten Modell führen. Sei es nun ein schnelles Entwurfsmodell, das weniger poliert sein muss oder ein hochwertiges Ausstellungsobjekt in Sammlungsqualität wir gehen auf Ihre Bedürfnisse ein und finden den kosteneffizientesten Weg, für Ihren Erfolg.

3D Drucken nach dem Projekt? Sekundäre Verwendung von 3D Druckdaten

Nicht zu unterschätzen sind die Möglichkeiten der Weiterverwendung von 3D Drucken und der Kleinserienherstellung von Gebäudemodellen. Stadt- und Gebäudemodelle sind immer ein Blickfänger und finden sich häufig in Lobbys, Museen oder als Referenzen in Architekturbüros. Nutzen Sie die Außenwirkung Ihrer Arbeiten in dieser Form. Der Zugang zu Ihrer ist durch diese extrem niedrigschwellig, da dem Betrachter auch ohne komplexe Pläne, aufwendige Animationen und lange Berichte die Vorteile einer Zusammenarbeit mit ihnen klar wird.

Neben diesem rein ästhetischen Nutzen können 3D gedruckte Strukturen, kostengünstige Orientierungshilfen in größeren Gebäudekomplexen bilden. Vor allem in Kombination mit Medien (Beleuchtung, Projektoren) und moderner Software (AR und VR) lassen sich die bereits erstellten Daten mit einem spürbaren Mehrwert erneut verwenden.

Wir konnten in den letzten Jahren einen erhöhten Bedarf an Miniaturen von Gebäuden bemerken. Diese stark verkleinerten Versionen, frisch sanierter oder neugebauter Gebäude dienen als Zugabe zur Investition in das jeweilige Projekt. So können Investoren kleine Wohnungen, Einheiten oder Parzellen erwerben, um in dieser wertstabil Kapital anzulegen. Um die Bindung zum jeweiligen Objekt zu stärken und diese, doch stark virtuelle Transaktion, gegenüber anderen herauszuheben, erhält jeder Investor passend zu seinem Objekt ein Miniaturmodell.

Diese Modelle kommen hervorragend bei allen Beteiligten an und lassen sich kostengünstig in beliebigen Stückzahlen (von wenigen dutzend bis zu hunderten) produzieren.

Additive Prozesse als Brückentechnologie

Natürlich bilden Gebäudemodelle die offensichtlichste Anwendung für Architekten und Konstrukteure. Allerdings lohnt sich auch ein Blick auf andere Einsatzgebiete.
Sei es bestehende oder denkmalgeschützte Bauten oder futuristische Neubauten, jedes Gebäude besteht aus einer Vielzahl von charakteristischen Einzelelementen. Türklinken, Fassadenelemente, speziell angefertigte Rahmen, Profilkanten und vieles mehr. Diese müssen mitunter in großen Stückzahlen reproduziert werden oder sind bisher nicht existierende Formen, die vor dem Einsatz getestet werden müssen.

Diese Masken zum Beispiel waren ursprünglich Teil einer industriell genutzten Halle aus dem frühen 20. Jh. Insgesamt sechs dieser Elemente waren in 4 m Höhe oberhalb von Trägern angebracht und gaben dem Raum so seinen charakteristischen Charme. Die aus Gusseisen gefertigten Masken verfielen mit den Jahrzehnten bis nur noch eine halbwegs unbeschädigte übrig blieb. Diese wurde durch uns hochauflösend gescannt und die kleineren Beschädigungen ausgeglichen.

Anschließend wurden auf Basis dieser Scans sechs neue Masken gedruckt und der Oberfläche mit Lack der Anschein von Gusseisen gegeben. Im Vergleich zum Original wiegen diese nur noch 1,5 Kg statt 15 Kilo und können bequem von einem einzelnen Mitarbeiter montiert werden. Auch die Aufhängungen wurden an die veränderten vor dem Druck angepasst.

ZUM FAZIT

Der Cyberglobe

Die Firma books2net ist seit Jahrzehnten ein Eckpfeiler der Digitalisierung und Hersteller hochwertiger Scanner-Hardware. Zusammen mit Dr. Clauß Bild- und Datentechnik GmbH wurde der Cyberglobe als All-in-One-Lösung zur digitalen Objekterfassung entworfen.

Der Globe selbst besteht aus einer Kunststoffhalbkugel, die als Bildhintergrund und Diffusor dient, einem Kameraarm und einer Objekträger-Einheit.

Am Kameraarm ist eine Digitalkamera auf einem Schlitten montiert, die diesen während der Aufnahme von oben nach unten in mehreren Stationen abfährt. Zusätzlich befinden sich vier festmontierte LED-Lichtquellen am Arm, die das Objekt gleichmäßig und farbecht ausleuchten.

Die Objekträger-Einheit im Zentrum des Globe rotiert um ihre eigene Achse und bietet Platz für eines oder mehrere Objekte auf einer transparenten Fläche. Diese ist bis zu 25 kg belastbar und dabei relativ dünn, um die Lichtbrechung bei Aufnahmen von der Unterseite möglichst gering zu halten.

Um unerwünschte Lichtreflexionen des Objektträgers und des zu scannenden Objektes zu minimieren, kommt ein überraschend guter zirkulärer Polfilter auf der Kamera zum Einsatz. Die Lichtquellen selbst sind nicht gefiltert, wodurch keine Kreuzpolarisierung erfolgen kann. Allerdings wäre dies auch schlecht möglich, da der weiße Hintergrund und die vier festen Lichtquellen diesen Vorgang stark erschweren würden.

Direkt am Arm befindet sich eine kleine Steuereinheit, um die Anzahl der Aufnahmen, Aufnahmepositionen und Kameraeinstellungen einzustellen. Die Steuereinheit besitzt einen Programmspeicher, um gut funktionierende Aufnahmemodi für weitere Objekte abzuspeichern.

Der Globe kann die Bilder rein auf der Kamera speichern oder direkt auf eine via USB angeschlossene Workstation zur Prozessierung übermitteln.

Zwar ist das Gerät mit 45 kg nicht gerade ein Fliegengewicht, kann jedoch leicht mit zwei Personen in wenigen Minuten aufgebaut und einsatzbereit gemacht werden. Liegend passt es in fast jeden Kofferraum eines Mittelklassefahrzeugs und ist damit hochmobil.

Cyberglobe 3D-Scanner Erfahrung

Aufnahmeprozess

Scanverwaltung via Software

Zusammen mit der Hardware wird auch ein von books2net entwickeltes Programm ausgeliefert, das das Scannen von Sammlungen erleichtern soll. In diesem kann über ein einfaches Interface für jedes Objekt ein Listeneintrag oder besser gesagt ein Projekt angelegt und der aktuelle Stand der Bearbeitung schnell erkannt werden.

Die Ordnerstruktur der Basisbilder, Prozessdaten und fertigen Modelldaten wird automatisch angelegt und verwaltet, sodass über einen Arbeitstag hinweg viele Objekte erfasst und anschließend über Nacht die Modellberechnungen durchgeführt werden können.

Dafür greift die Software auf Reality Capture zurück, um die Modelle automatisiert zu verarbeiten.

Scannereinrichtung und Bildaufnahme

Das zu scannende Objekt wird auf dem Objekträger platziert und an der Kamera werden die Fokussierung und die Ausrichtung des Polfilters eingestellt. Anschließend wird entweder ein bereits erstelltes Aufnahmeprogramm ausgewählt oder eine manuelle Aufnahme- und Kamerapositionierung eingestellt.

Je nach Größe des Objektes können verschiedene Skalierungshilfen mit auf dem Objektträger positioniert werden.

Während der Aufnahme werden die Bilder direkt in die books2net-Software übertragen und sortiert abgelegt.

Modelle

Während der Scansession, an der ich teilnehmen konnte, haben wir eine Reihe unterschiedlicher Objekte digitalisiert und das Team von Books2net hat mir freundlicherweise die aufgenommenen Rohbilder der Modelle zum Selbstprozessieren zur Verfügung gestellt.

Hausmodell aus glasierter Keramik

Das bemalte und glasierte Hausmodell haben wir ausgewählt, da es starke radiale Symmetrien aufweist, unterschiedlich glänzende Bereiche auf der Oberfläche besitzt und einen schwer zugänglichen Hohlraum auf der Unterseite besitzt.

Es wurden 224 Bilder aufgenommen und mit Reality Capture prozessiert.

Für diesen Testlauf kamen nur auf der Kamera konvertierte Jpeg-Aufnahmen zum Einsatz. Der Cyberglobe trägt eine Reihe von Farbkalibrierungskarten. Die Rohbilder, die ich hier prozessiert habe, sind unkalibriert, daher die leicht merkwürdige Farbe.

Das entstandene Modell selbst würde ich als eine stabile Standardqualität bezeichnen. Feine Oberflächendetails werden im 3D-Modell umgesetzt, die Textur ist gleichmäßig und scharf über das komplette Modell.

Einzig im Bereich der Tür, an der sich komplexere Unterschnitte befinden, sind einige Artefakte zu erkennen, die manuell bereinigt werden müssten. Der Innenraum des Modells konnte während der Aufnahme nicht ausgeleuchtet werden und ist dadurch nicht vom Algorithmus rekonstruiert worden, sondern mit einer flachen Ebene geschlossen worden. Dies hätte man auf einem manuellen Rig durch Neupositionieren des Objektes besser aufnehmen können.

Die Aufnahmedauer der 224 Bilder betrug 21 Minuten. Das ist eine relativ gute Zeit, da aus sieben verschiedenen Kamerahöhen Aufnahmen gemacht wurden. Während dieser Zeit lief die Maschine komplett automatisch und benötigte keine weitere Betreuung. Ob diese 21 Minuten reichen, um sinnvolle Aufgaben zu erledigen, sei einmal dahingestellt.

Bastdose mit Deckel

Für die Bastdose mit Deckel wurden 336 Bilder aufgenommen,. Dafür benötigte der Cyberglobe 30 min. Es wurden sowohl die Dose mit aufgesetztem Deckel erfasst als auch die Dose und der Deckel separat.

Das automatische RealityCapture-Script hatte zum Aufnahmezeitpunkt noch einige Probleme, alle Bilder in einer einzelnen Komponente zusammenzufassen. Dies liegt trotz der enthaltenen Kalibrationspunkte vorwiegend an der annähernden radialen Symmetrie des Objektes.

Fehler wie diese kamen zum Testzeitpunkt immer wieder vor, wurden aber laut books2net mittlerweile behoben.

Die matte Oberfläche der Dose ließ sich aber detailliert und sauber erfassen. Einzig der Schatten unter dem Deckel ist ein wenig störend und würde in einem manuellen Set-up nicht erfasst werden.

Silex-Artefakte

Mit einer Reihe verschiedener Silex-Artefakte wollten wir die Möglichkeit testen, mehrere einzelne Objekte gleichzeitig zu erfassen. Dazu haben 4 unterschiedlich große Silexartefakte gemeinsam auf den Objekträger gelegt und die Erfassung gestartet.

Nach 224 Aufnahmen (20 min) war die direkte Erfassung abgeschlossen und die Prozessierung in der Fotogrammetriesoftware begann.

Alle 4 unterschiedlichen Objekte wurden gleichzeitig sauber digitalisiert. Natürlich mussten diese 4 Objekte in Reality Capture voneinander isoliert werden, bevor die Texturierung durchgeführt wurde. Ohne diese Isolierung hätten sich alle 4 Objekte eine UV und eine Oberflächentextur geteilt. Dadurch wäre viel Qualität der Texturen verschenkt worden. Dies erfordert ein wenig manuelle Nacharbeit, ist aber schnell und leicht erledigt.

Fazit

Der Cyberglobe ist eine angenehme All-in-one-Lösung, die sich leicht auch von Anfängern bedienen lässt.

Der Standard, den die automatische Software ohne manuelle Eingriffe erzeugt, ist auf einem mittleren bis hohen Niveau und überzeugt durch eine konstante Erfassungsgeschwindigkeit. Gerade um größere Sammlungen zu erfassen, wäre ein Set-up von zwei bis vier Cyberglobes ideal, da die Wartezeit während der Bildaufnahme zwar vorhanden ist, aber nicht ausreicht, um konzentriert an anderen Aufgaben zu arbeiten.

Die kompakte Bauweise ermöglicht einen schnellen Transport und eine Nutzung auch in kleinen Räumlichkeiten. Ein kleiner Rollwagen zum Bewegen des Globe und seiner Peripherie ist trotzdem sehr empfehlenswert.

Für besonders komplexe Objekte ist nach wie vor eine manuelle Aufnahme empfehlenswert, die aber dementsprechend auch bei weitem zeitintensiver ist.

Da alle Rohdaten (Reality-Capture-Projekte, Einzelbilder …) gespeichert werden, können jederzeit Neuberechnungen mit eigenen Parametern durchgeführt oder alternativ Splats der Modelle angelegt werden.

Der Preis für einen Cyberglobe ist natürlich höher als der typische studentische Tortendrehteller, das Set-up liegt aber immer noch im günstigen Segment für 3D-Scanner.

3D-Scans und weitere digitale Daten

Das Erstellen von digitalen Kopien von Objekten durch moderne 3D-Scanverfahren ist mittlerweile leicht und schnell zu realisieren. Die dabei entstehenden Daten zu verwenden, leider nicht.

Es entstehen Punktwolken, 3D-Meshes, Texturen, Protokolle, Renderbilder, Animationen und interaktive Modelle, und alle kommen in vielen unterschiedlichen 3D-Formaten. Natürlich kann Windows mittlerweile nativ 3D-Modelle öffnen, nur ob diese wie gewünscht angezeigt werden, ist fraglich. 

Die Daten, die ich in den letzten Jahren erzeugt habe, bestanden immer aus einem Komplettpaket aus Modelldaten, Texturen, Punktwolken, Renderbildern und einem umfassenden PDF-Protokoll zur Verwendung der Daten. Bedauerlicherweise zeigte sich, dass die am meisten verwendeten Daten die verzerrungsfreien Renderbilder und das Protokoll selbst sind. Da meine Kunden sich scheuten, mit den eigentlichen 3D-Daten zu arbeiten.

3D-Viewer

Der 3D-Builder und 3D-Viewer von Microsoft stellen die Modelle manchmal ohne Texturen dar oder nur in einer schwierig zu erkennenden schattierten Ansicht.

Agisoft bietet einen kostenlosen Viewer an, der sowohl 3D-Daten (OBJ, 3ds, fbx…) als auch Raster und Vektordaten für GIS-Systeme öffnen kann. Hat seinen Hauptfokus aber eher auf Landschaftsmodellen und weniger auf mobilen Einzelobjekten.

Meshlab ist ein kraftvoller 3D-Viewer und Editor mit vielen Bearbeitungsmodi, der fast alle 3D-Daten nutzen kann, aber aufgrund seiner veralteten Benutzeroberfläche nur schwierig zu verwenden ist. Auch bestehen wenig Möglichkeiten, 3D-Renderbilder aus dem Programm heraus zu erzeugen.

Die meisten CAD-Programme, die von Archäologen verwendet werden, können zwar 3D-Daten importieren, stellen diese aber meist nur schlecht dar. Auch gibt es Importgrenzen für die Anzahl von Polygonen, die diese Daten enthalten dürfen. Und die meisten 3D-Scans liegen über diesen Grenzen.

Neben diesen Tools gibt es eine große Menge von 3D-Viewern und Editoren, die ihre eigenen Formate verwenden. Auch wenn dies durchaus gute Softwarelösungen sein können, lassen sich diese Modelle und Daten nur so lange verwenden, wie Lizenzen bestehen oder die Software vom Hersteller gepflegt wird. Sie eignen sich also für eine kurzfristige Nutzung, können aber keine Dauerlösung sein.

Blender 3D als Alternative ?!

Blender 3D ist eineOpen-Source-Software,e die seit 1995 verfügbar ist und seitdem kontinuierlich weiterentwickelt wird. Seit 2002 ist das Programm komplett Open Source unter der GNU General Public License und steht mit seinem Sourcecode jedem zur freien Verfügung für jeden Anwendungszweck.

Mit etwa 400 MB Programmgröße ist Blender relativ klein, enthält aber eine Vielzahl von Features. So ist es3D-Editorr, Renderengine, Bildbearbeitungsprogramm, Animationstool, Simulationsbaukasten, Sound-, Script- und Videoeditor in einem und kann über eine Vielzahl von Plug-ins erweitert und durch seine modulare Ansicht schnell anpassbar.

Aufgrund seiner riesigen Community ist jede Funktion des Programms umfassend dokumentiert. Für die Einarbeitung in die einzelnen Funktionen steht eine ständig wachsende Anzahl freier und kommerzieller Workshops in vielen Sprachen online bereit.

Praktische Vorteile

In erster Linie soll Blender erstellte 3D-Daten unterstützen und zugänglicher halten. Die Idee ist also: Nach dem Erstellen eines oder mehrerer Modelle in einem Projekt sollten zusätzlich zu den Standarddaten auch eine Blend-Datei abgespeichert werden. 

In dieser sollte jeweils ein fertiger 3D-Scan abgelegt werden, zusammen mit einer Kurzbeschreibung des Modells, der Metadaten und Details zur Datenaufnahme als Textdatei. Diese kann direkt auf dem Starbildschirm nach dem Öffnen der Datei Kontext und Hilfen zur Benutzung geben.

In Blender selbst können jederzeit Vermessungen des Objektes vorgenommen, Schnitte angelegt und neue Renderings erzeugt werden. Gleichzeitig kann das Objekt sowohl als fotorealistisches, texturiertes Objekt betrachtet werden als auch als gleichmäßig Matcap schattiertes Oberflächenmodell.

Auch das Markieren unterschiedlicher Strukturen mithilfe des Annotationstools ist leicht und schnell realisierbar.

Etwas komplexer ist das Bestimmen von Volumina über das in Blender 3D integrierte Add-on 3D Print Toolbox.

Für das Vergleichen von Objekten können die in den Blend-Dateien abgelegten Modelle schnell und einfach in andere Dateien angehängt oder verlinkt werden. So kann Blender als virtueller Labortisch dienen, um verschiedene ähnliche Formen direkt zu vergleichen.

Durch die seit Juli 2025 erhältliche Version 4.5 wurde die Benutzeroberfläche von OpenGL auf Vulkan geändert. Dadurch konnten die Ladezeiten und die Verarbeitungsgeschwindigkeit auch von Meshes mit mehreren Millionen Polygonen extrem verbessert werden.

Ausblick

Neue Add-ons, Skripte und Benutzeransichten lassen sich einfach in Blender direkt erstellen. Dadurch können Abläufe automatisiert und das UI benutzerfreundlicher gestaltet werden. Dadurch kann Blender ein beständig wachsender Werkzeugkoffer für Forscher, Kuratoren und Ausstellungsdesigner werden. 

Wenn neue Funktionen benötigt oder Stolpersteine in der Benutzung identifiziert werden, können diese direkt angepasst werden. Dieser offene Zugang auf alle Aspekte eines 3D-Editors ist derzeit weltweit einzigartig. 

Durch die Open-Source-Lizenz können alle diese Anpassungen frei weitergegeben oder sogar kommerzialisiert werden. 

Der größte Vorteil liegt in der großen Community der Software, die eine Vielzahl von Anleitungen, Tutorialvideos und Workshops in jeder Sprache bereitstellt. Und beständig weiter wächst.

Schlussworte

Die quelloffene Software Blender3D ist seit fast 30 Jahren ein beständig wachsender 3D-Werkzeugkasten, der durch die Struktur seiner Lizenz niemals wieder geschlossene Software werden kann.

Das Programm bietet ein schnelles, unkompliziertes und leicht anpassbares Tool zur Betrachtung und Verarbeitung von 3D-Scans. Und kann in Zukunft eine wichtige Schnittstelle für Forscher zur Nutzung digitaler Daten werden.

Da es keine Lizenzkosten, Installationsgrenzen oder Einschränkungen in der Nutzung gibt, empfiehlt es sich, eigenständig lauffähige Versionen (portable Versionen) direkt für jedes durchgeführte Projekt mit abzulegen.

Leider sind sie meist winzig und zerbrechlich und können daher nur unter Vergrößerungsgläsern und Mikroskopen ihre Schönheit entfalten.

Ein Lösungsansatz, um Interessierte und Besucher näher mit Käfern zusammenzubringen, sind hochdetaillierte 3D-Scans und -Drucke. Sie ermöglichen es, die Käfer aus allen Perspektiven zu betrachten, sie anzufassen und die Scheu vor ihnen abzubauen.

3D-digitalisierte Käfer

Vor vier Jahren konnte ich für Formwerk3d genau solche Scans und Drucke ausführen. Es sollten zwei Spezies digitalisiert und anschließend vergrößert ausgedruckt werden.

Als Datenbasis dienten uns zwei in Formaldehyd präparierte Käfer, die ich fotogrammetrisch erfasst habe. Dazu kam ein automatischer Drehteller zum Einsatz, um durch die hohe Aufnahmegeschwindigkeit ein Austrocknen der Aservate zu verhindern.

Die Grundstruktur der Insekten konnte ich mit dem Scan gut erfassen und einen sauberen Grundkörper erstellen. Bedauerlicherweise waren jedoch bereits einige Beschädigungen (Löcher im Panzer, fehlendes Bein …) an den Körpern vorhanden, sodass es noch einiger Nachbearbeitung bedurfte.

Anhand anatomischer Zeichnungen aus diverser Fachliteratur konnte ich die fehlenden Teile ersetzen, die Beine neu ausrichten und die Modelle druckbereit machen.

Ausdruck und Zusammenbau

Die Insekten sollten im Maßstab 10:1 vergrößert und gedruckt werden. Später mussten Sie stabil genug sein, um von Besuchergruppen berührt und herumgereicht werden zu können. Daher fiel die Wahl auf ein Toughresin im SLA‑Verfahren.

Durch den Resindruck lassen sich feine Details und glatte Oberflächen erzeugen, die sich hervorragend schleifen und grundieren lassen. Und da die Krabbler später naturalistisch lackiert werden sollten, passte dieses Material super zu den Anforderungen.

Trotz der Stabilität und hohen Druckauflösung des Resins habe ich in Absprache mit dem Kunden einige Details angepasst und reduziert, damit keine scharfen Kanten und fragile Stäbe hergestellt werden, die später brechen können oder Besucher ritzen könnten.

Für den Ausdruck selbst wurden die Insekten in Körper und Beine zerlegt, um Stützmaterial und Nacharbeit zu sparen, und anschließend zusammengesetzt. So konnte auch jedes Einzelteil leichter nachgeschliffen werden, bevor es zusammengesetzt wurde.

Als Kleber und Spachtel kam dasselbe Resin zum Einsatz, aus dem die Drucke selbst waren.

Lackierung

Die fertigen Resinmodelle wurden mit PU-Lack grundiert und anschließend in mehreren Schichten mit Acrylfarben lackiert. Für gleichmäßigen Farbauftrag und feine Farbübergänge kamen dafür eine Airbrushpistole und eine Sprühkabine zum Einsatz.

Anschließend wurden die Farben und Oberflächen mit mehreren Schichten schlagfestem UV-Schutzlack versiegelt, damit auch raueres Handling und Lichteinwirkungen keinen Einfluss auf die Objekte haben.

Die Modelle im Einsatz

Nach wie vor kommen unsere Riesenkrabbler bei Führungen durch die Sammlungen zum Einsatz und faszinieren Jung und Alt. Wenn Sie nicht direkt herumgereicht werden, stehen Sie in Vitrinen neben Ihren originalen Vorbildern und erweitern das Erlebnis der Ausstellung.

Gerade Denkmale und Objekte im Außenbereich werden durch Wind und Wetter stärker beeinflusst, als man denkt. Da die Erosionsprozesse meist schleichend sind, fällt die zunehmende Beschädigung meist zu spät auf. Zum Beispiel entsteht eine Art blinder Fleck, wenn Personen täglich an den Objekten vorbeigehen. Da die Veränderungen sich über Zeit subtil akkumulieren.

Wenn dann sichernde Maßnahmen eingeleitet werden müssen, beginnt die Suche nach alten Fotos, Bildern und Zeichnungen, um den Ursprungszustand zu evaluieren. Leider sind diese Quellen meist nur fragmentarisch, selbst veraltet oder von minderer Qualität (Alte Diabilder, Publikationsbilder, in denen etwa Ansichten der Rückseiten fehlen….)

Mithilfe von 3D-Scans kann der IST-Zustand zum Scanzeitpunkt voll umfassend über das komplette Objekt erfasst werden. Die Daten stehen schnell und einfach bereit und können mit den zuständigen Konservatoren geteilt werden. Sie bilden das GESAMTE Objekt ab und können im Ernstfall zur Erzeugung von kompletten Repliken dienen.

Das hier gezeigte Beispiel ist ein einfaches Holzobjekt, ein Sitz geschnitten aus einem Baumstamm. Es ist kein Denkmal im eigentlichen Sinne, zeigt aber, wie schnell Zerfallsprozesse vonstattengehen können.

Der Holzsitz wurde 2020 von mir mithilfe von 3D-Fotogrammetrie erfasst. Dies geschah etwa 2 Jahre, nachdem er geschnitzt wurde.

Die Fotografien zeigen den Zustand im Juni 2025. Die Borke ist großflächig verschwunden. Regen, Sonne und Schnee hat die Oberfläche angegriffen und Schädlinge das Holz befallen. Die Sitzfläche ist beschädigt und das komplette Objekt steht kurz vor dem Umfallen.

Innerhalb von 5 Jahren steht das Holzobjekt kurz vor dem kompletten Zerfall. Prozesse wie diese laufen auch in steinernen Denkmalen, wie Skulpturen und Fassadendekorationen, ab. Die Zeiträume sind, materialbedingt allerdings größer und der Ablauf schleichend.

Aufgrund der hohen Anzahl an Denkmalen im Außenbereich ist ein Monitoring schwierig, kann aber durch eine digitale Vergleichssammlung erleichtert werden. Noch dazu können die 3D-Scans auch Synergieeffekte für andere Zwecke erreichen. 

Sie erleichtern die Publikation, bieten als umfassende Sammlung schnelle Vergleichsmöglichkeiten und können der Öffentlichkeit schnell und sicher für die Objekte zugänglich gemacht werden. Durch dezentrale Speicherung wird der digitale Zwilling des Objekts auch in extremen Katastrophenfällen (Erdrutsch, Krieg, Vandalismus, Flut…) bewahrt.

Das 3D-Modell aus der Animation zeigt das Holzmodell und wurde aus frei im Internet verfügbaren Bildern berechnet. Die Qualität des 3D-Modells ist daher auch ein wenig mager, wie die silberne Geometrieansicht zeigt. Trotzdem ist das Generieren von 3D-Daten aus touristischen Bildern und frei verfügbarem Bildmaterial eine nicht zu unterschätzende Alternative zur Bewahrung vielleicht bereits zerstörter Objekte, wie vielfach anhand von Modellen aus Syrien und der Ukraine gezeigt werden konnte.

Interessant wäre auch, wie ein direkter Scan des Originals sich zur Qualität der gesammelten Online-Daten in Auflösung und Detailgetreue schlägt.

Das Modell der Kirche steht auch als interaktives Modell auf Sketchfab zur Verfügung.

Früher wurden zu diesem Zweck Abgüsse von Skulpturen und Funden angefertigt. Jeder kennt die großen Abgussammlungen für Antiken in Berlin und München mit ihren eindrucksvollen Statuenkollektionen.

Auch in Museen sind viele Abgüsse zu sehen, häufig aber, ohne dass sie dem Besucher groß auffallen. So sind zum Beispiel einige Fossilien in Naturkundemuseen Repliken (Kopf des Brachiosaurus und Tyrannosaurus in Berlin …)

Heute müssen keine Kontaktverfahren zur Herstellung von Repliken verwendet werden. Diese Aufgaben können von 3D-Scans und 3D-Drucken übernommen werden. Die berührungslosen 3D-Scans erfassen das Original schonend und trotzdem hoch detailliert. Anschließend können diese Daten sowohl zur digitalen Präsentation verwendet als auch für den 3D-Druck aufbereitet werden.

Idealerweise sind die Scans bereits „Wasserdichte“ Gitternetze, die eins zu eins im Drucker verwendet werden können.
In einigen Fällen ist jedoch ein Erfassen einzelner Bereiche nicht möglich. Durch eine feste Wandmontage zum Beispiel. Oder es sollen Ergänzungen vorgenommen werden. Dies kann direkt am digitalen Zwilling erfolgen.

Nach der Datenaufbereitung beginnt die Auswahl der Herstellungstechnologie. FDM/FFF ist ein schnelles Verfahren mit mittlerer Detailwiedergabe, das hauptsächlich robuste und günstige Drucke ermöglicht. Dabei wird am häufigsten in PLA (Kunststoff aus Maisstärke), PETG oder ABS gearbeitet. Der Aufbau aus Kunststofffäden führt jedoch zu einer spür- und sichtbaren Rillung auf der Oberfläche des Ausdrucks. Dieser kann geschliffen oder verspachtelt oder durch eine hohe Druckauflösung (wodurch die Druckzeit und der Preis jedoch ansteigen) kompensiert werden. Auch sind Stützen an Überhängen nötig, die eventuell ebenfalls nachbearbeitet werden müssen.

Das SLS-Verfahren verschmilzt Kunststoffpulver Layer für aus einem Schicht für Schicht aufgebauten Pulverbett. Dabei kann auf den Einsatz von Stützen verzichtet werden. Durch das Feinjustieren der Laser können dabei sehr glatte Oberflächen erzeugt werden. Obwohl das nicht verschmolzene Pulver wieder für den nächsten Ausdruck verwendet werden kann, ist das Verfahren mitunter relativ kostspielig. Dies ist durch die hohen Maschinenkosten bedingt.

Da immer der komplette Bauraum bis zur Höhe des Objekts gefüllt werden muss, können die Einzelteilkosten erheblich gesenkt werden durch das Auffüllen des Bauraums mit weiteren Objekten oder Kopien (Nesting).

Meiner Ansicht nach erreicht der Resindruck die feinsten Details und besten Oberflächen. Hier wird ein Resin mittels einer starken Lichtquelle (Laser oder UV-LED) verhärtet. Dabei hängt das Objekt über Kopf über einem Resin Tank und wird Schicht für Schicht eingetaucht und nur die benötigten Bereiche bestrahlt.

Auflösungen von wenigen Mikron sind so problemlos zu erreichen.

Die hier gezeigten fünf Repliken eines Keilschrift beschriebenen Tonkegels wurden im SLA Verfahren aus Resin hergestellt.

Der 3D-Scan basiert auf einem 50 Jahre alten Abguss eines Originales. Und musste nicht nachbearbeitet werden, da wir das Objekt aus allen Richtungen erfassen konnten.

Nach dem Ausdruck in hellgrauen Resin wurde der Druck von Stützen befreit und in einem Isopropanol-Bad gereinigt. Anschließend wurde der Rohling in einem UV-Ofen endgültig ausgehärtet.

Auf der Resinoberfläche hält PU Lack hervorragend, weswegen ich diesen als Grundierung bevorzuge. Nach 24 Stunden erfolgt die schichtweise Lackierung hin zu einem sandfarbenen Ton. Dabei kommen verschiedene Acrylfarben und Washes zum Einsatz.

Als letzter Schritt wird die Oberfläche mit einem supermatten Lack versiegelt, um das Objekt gegen Berührungen zu schützen.

Anders als das Original sind die 3D-Drucke hohl und sehr viel leichter. Verschiedene Füllmaterialien können dieses Problem auf Wunsch jedoch lösen.

Um die glänzende Oberfläche des aus dünnem Blech bestehenden Brakteaten habe ich mittels Fotogrammetrie erfasst, um eine möglichst genaue Abbildung der feinen Oberflächenverzierungen zu erhalten. Um den metallischen Glanz während der Erfassung bestmöglich herauszufiltern, habe ich dabei sowohl einen Polfilter vor der Linse als auch vor der Lichtquelle verwendet.

Diese Kreuzpolarisierung ermöglicht das fast vollständige Eliminieren von Glanzpunkten auf dem Objekt und reduziert merklich störendes Rauschen im 3D-Modell.

Mit nur 4 cm Durchmesser und 2-3 mm Stärke ist das Blechobjekt schwierig zu erfassen und bedurfte einiger Tricks während der Erfassung und zum Teil manueller Maskierung der zur Rekonstruktion verwendeten Bilder. Da Fotogrammetriemodelle nicht automatisch absolut skalierte Größen enthalten, habe ich zusätzlich einen schnellen Streifenlichtscan angelegt, um das Objekt über diesen in seine reale Größe zu transformieren.

Um den Ausdruck möglichst sauber und detailliert zu halten, kam ein SLA-Drucker zum Einsatz, der das Objekt aus grauem Resin herstellte.

Nach dem Entfernen der Stützstrukturen und dem Verspachteln kleinerer Löcher (kleine Löcher können durch das Ablösen der Stützen entstehen) war es an der Zeit zu schleifen. Da Resinstaub nicht gerade gesund ist, sollte immer eine Maske und Handschuhe beim Schleifen getragen werden.

Schleifpapiere und Schleifschwämme von 180er bis 1200er-Körnung sind ideal, um schnell die Oberflächen für das Lackieren vorzubereiten. Ich verwende dafür meist sanding Sticks von Greenstuffworld, mit denen trocken und nass geschliffen werden kann.

Monochromer PU-Lack ist eine ideale Grundierung, auch wenn er recht lange zum Trocknen braucht, und anschließend eine Lackierung in mehreren Schichten Gold und Bronzetönen, Washes und finalem Trockenbürsten. Als Farben verwende ich dafür gern Acrylfarben aus dem Tabletop-Bereich. Diese sind Licht resistent, ungiftig und günstig. Für einen gleichmäßigen Auftrag wurden alle Farben mit einer Airbrushpistole aufgetragen. Bis auf das finale Trockenbürsten natürlich.

Versiegelt wurde die Oberfläche mit mehreren Schichten transparenten Schutzlack.