Fraunhofer IGD entwickelt Roboterarm, der Kulturgüter in 3D scannt und kooperiert mit Phase One

Der digitale Zwilling h?lt Einzug in der Museumswelt

Das Fraunhofer IGD aus Darmstadt hat ein Produkt entwickelt, das Museen die Digitalisierung ihrer Sammlungen vereinfacht und kooperiert nun mit dem d?nischen Kamerahersteller Phase One. Der mobile Scanner CultArm3D liefert auf Knopfdruck pr?zise 3D-Modelle von Ausstellungsst?cken verschiedener Gr??e.

Ein virtuelles Abbild der Sammlung zu erstellen, bringt Museen und Ausstellungen nicht nur Vorteile, wenn Besucher vor verschlossenen T?ren stehen und virtuell auf Entdeckungstour gehen m?ssen. „3D-Modelle haben eine enorme Bedeutung f?r die Forschung und k?nnen helfen, Objekte und ihre Herkunft besser zu verstehen und ihre Eigenschaften zu analysieren. Sie sind aber auch die Grundlage f?r eine Visualisierung in Virtual- und Augmented Reality und bei der Erstellung farbechter physischer Repliken im 3D-Druckverfahren“, erl?utert Pedro Santos, Abteilungsleiter am Fraunhofer Institut f?r Graphische Datenverarbeitung IGD. Seit vielen Jahren befassen er und sein Team sich mit gro?formatigen 3D-Scantechnologien, insbesondere der Digitalisierung von Kulturg?tern. Da hier kein Objekt dem anderen gleicht, ist diese Aufgabe besonders anspruchsvoll. Durch viele Gespr?che mit Museen war ihnen klar: bei der 3D-Digitalisierung ganzer Sammlungen m?ssen einerseits die Ergebnisse in h?chster Qualit?t vorliegen, andererseits muss das System einfach zu bedienen, mobil einsetzbar und dennoch sicher sein.

Hochaufl?sende und farbechte 3D-Scans – standardkonform
Das Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen deutschem Forschungsinstitut und d?nischem Kamerafabrikanten ist der Roboterarm CultArm3D. Ausger?stet mit einer Phase One iXG 100 Megapixel Kamera, den autonomen Scanalgorithmen des Fraunhofer IGD und erg?nzt durch speziell entwickelte Ringlichter f?r eine optimale Ausleuchtung, scannt er Objekte eigenst?ndig aus allen Winkeln ein und erstellt in k?rzester Zeit detaillierte 3D-Darstellungen in hoher Qualit?t. Denn nur wenn die virtuellen Modelle gut genug sind, k?nnen Wissenschaftler sie nach Belieben analysieren und mit Modellen anderer Objekte vergleichen, was unter Umst?nden fragile Objekte im Original nur bedingt zulassen oder verkraften w?rden.
Besonderes Augenmerk der Entwickler am Fraunhofer IGD lag auf Objekten mit anspruchsvollen Oberfl?chengeometrien, wie beispielsweise gl?nzende oder reflektierende Objekte aus Gold und Bronze mit komplexen Hinterschneidungen. Dabei werden sowohl bei der Systemkalibrierung (basierend auf ISO/TS 19264 und VDI/VDE 2634) als auch bei den Objekt-Metadaten und digitalen Modelldaten (basierend auf Europeana Data Model, 3D Task Force und CARARE) alle g?ngigen Standards und internationalen Empfehlungen eingehalten, was eine wiederholbar hohe Qualit?t hinsichtlich Geometrie, Texturen und Farbe sicherstellt – ein Novum auf dem Markt.

Sicheres und einfaches Bedienkonzept
Der Betrieb des Scanarms ist unkompliziert und kann vom Museumspersonal selbstst?ndig durchgef?hrt werden. Die integrierte Software f?hrt die Benutzer w?hrend der ersten Einrichtung durch einen kurzen Kalibrierprozess, der nur einmalig bei Inbetriebnahme des Systems durchgef?hrt werden muss. Dann werden die Objekte nur noch in der Mitte des mitgelieferten Drehtellers positioniert und auf Knopfdruck startet der Scanvorgang – alles Weitere geschieht vollautomatisch. Dabei muss das Museum nicht um seine wertvollen Ausstellungsst?cke bangen: das Design beinhaltet verschiedene Sicherheitsvorkehrungen zum Schutz der Scanobjekte, wie sie sich auch in der Industrie bew?hrt haben. Ein Beispiel ist das automatische Einrasten der Gelenke des Scanarms bei Stromausfall.

Automatisierter Workflow
Ein schneller Vorabscan f?hrt zu einem ersten grundlegenden Verst?ndnis der Gr??e und Form des individuellen Objekts. Eine dynamische Ansichtenplanung stellt w?hrend des Scanprozesses sicher, dass alle f?r den Sensor sichtbaren Details des Objekts, mit der minimalen Anzahl von Bildern, in optimaler Sch?rfe und farbecht erfasst werden. Selbst anspruchsvolle, reflektierende Materialien und komplizierte geometrische Hinterschneidungen der Oberfl?chen werden erfasst. Bei reflektierenden Oberfl?chen macht dies den Einsatz von mattierendem Spray zur Erfassung ihrer Geometrie ?berfl?ssig. Bei komplexen Objektgeometrien wird manuelles post-processing der 3D-Modelle minimiert oder meist vollst?ndig eliminiert. Die dynamische Ansichtenplanung setzt ihre Arbeit so lange fort, bis die vom Benutzer definierten Qualit?tsziele hinsichtlich minimaler Abdeckung und Aufl?sung erreicht werden. Im Anschluss daran kann das finale 3D-Modell in verschiedenen Formen ausgegeben werden, beispielsweise als hochaufgel?stes Video in 2D oder 3D, als 3D-Web-Modell, f?r Virtual- und Augmented Reality Pr?sentationen oder als Druckdatei f?r einen 3D-Drucker. Dabei werden alle g?ngigen 3D-Standardformate und viele weitere Ausgabeformate bedient.

Skalierbar und mobil
Es gibt zwei Modelle des CultArm3D f?r Objekte bis zu einer H?he von einem Meter und einem Gewicht bis 60 kg. Gr??ere Scanvolumina und Gewichte k?nnen auf Wunsch erm?glicht werden. Der Scanarm ist mobil und durch sein geringes Gewicht einfach zu transportieren. Er ben?tigt vor Ort lediglich eine regul?re Stromversorgung, was das Scannen von Sammlungen an verschiedenen Standorten erm?glicht.

3D-Scantechnologie bereits im Einsatz
Der Scanarm ist in seinen bisherigen Entwicklungsstufen bereits bei Museen und Archiven im Einsatz, beispielsweise im Badischen Landesmuseum in Karlsruhe, in der Th?ringer Landes- und Hochschulbibliothek an der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena und demn?chst in der Universit?ts- und Landesbibliothek Darmstadt. In Karlsruhe ist der Scanner des Fraunhofer IGD in das Besucherkonzept eingebunden, so dass diese eigenh?ndig, unter Anleitung, Objekte des Museums in 3D scannen und sich im Anschluss von den Ergebnissen ihrer Arbeit an interaktiven Touch-Tischen oder ?ber eine VR-Brille ?berzeugen d?rfen.
Evaluiert und eingesetzt wurde er bereits am The Getty in Los Angeles, am REM in Mannheim, in der Museumslandschaft Hessen Kassel (MHK), an der Saalburg oder an der Keltenwelt am Glauberg, wo verschiedenste Sammlungen in 3D digitalisiert wurden. Die R?ckmeldungen aus der Praxis gaben den Entwicklern wertvolle Hinweise f?r Verbesserungen. Interessierte Museen k?nnen sich f?r eine Kooperation direkt an das Fraunhofer IGD wenden. Zus?tzlich zur Installation des CultArm3D erhalten alle Mitarbeiter eine ausf?hrliche Einweisung und Schulung vor Ort. Eine fortlaufend auf dem neuesten Stand gehaltene Online-Dokumentation erg?nzt das Gesamtpaket. Ab 2022 ist ein Vertriebskanal ?ber Phase One geplant.

Weitere Informationen:

– Videos des CultArm3D in Betrieb und eine Pr?sentation bereits gescannter Objekte: https://www.cultarm3d.de

– Alles zur Forschung im Bereich 3D-Scan des Fraunhofer IGD: https://www.igd.fraunhofer.de/kompetenzen/technologien/3d-scanning

– Download Produkblatt: https://we.tl/t-1WuQ1w87C5

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