Wenn Sie einen handgeführten 3D-Scanner verwenden, werden Sie möglicherweise charakteristische kreisförmige Schwarz-Weiß-Flecken bemerken, die an den zu scannenden Objekten befestigt sind. Diese werden als Marker bezeichnet, aber was genau ist ihre Funktion?
Abbildung 1: iReal M3 3D-Scan mit Markern
Bei der Verwendung eines Handscanners hat man es bei jedem Scan mit einem begrenzten Messbereich zu tun. Folglich ist die Ausrichtung von Daten aus mehreren Scans unerlässlich. Während es verschiedene Methoden gibt, einschließlich merkmalsbasierter, texturbasierter und hybrider Techniken, ist die markerbasierte Ausrichtung oft die bevorzugte Wahl für kleine bis mittelgroße Scanner. Die zuvor erwähnten kreisförmigen Flecken dienen in diesem Zusammenhang als Marker.
Im Bereich des handgeführten 3D-Scannens erfasst jeder Scan nur einen begrenzten Messbereich. Daher ist eine genaue Ausrichtung der Daten aus aufeinanderfolgenden Scans entscheidend. Es gibt verschiedene Methoden, um diese Ausrichtung zu erreichen, darunter merkmalsbasierte, texturbasierte und hybride Ansätze. Für kleine bis mittelgroße Scanner ist jedoch oft die markerbasierte Ausrichtung die Methode der Wahl. Die zuvor erwähnten kreisförmigen Flecken sind genau diese Marker.
Aber was genau sind Marker beim 3D-Scannen?
Marker werden gemeinhin als „Referenzpunkte“, „Zielpunkte“ oder „Trackingpunkte“ bezeichnet, Begriffe, die ihre Funktion im Scanprozess genauer widerspiegeln. Genauer gesagt beziehen sich „Scanning-Markerpunkte“ auf eine Untergruppe, die als unkodierte Markerpunkte bekannt ist. Auf der anderen Seite existieren kodierte Markerpunkte, die jeweils eindeutige Codes tragen, um die Präzision und Effizienz der Verfolgung weiter zu verbessern. Diese Untersuchung konzentriert sich zunächst auf kodierte Marker und analysiert deren Struktur und Nutzen im 3D-Scanprozess.
Kodierte Marker
Kodierte Marker werden häufig in photogrammetrischen Systemen verwendet, die auf dem Prinzip der Bilderfassung zur Rekonstruktion dreidimensionaler Objekte im Raum basieren.
Abbildung 2 veranschaulicht die Grundprinzipien der Kamerabildgebung und Triangulation und dient als Referenz zum Verständnis des dreidimensionalen Rekonstruktionsprozesses in der Photogrammetrie.
Kodierte Marker spielen eine zentrale Rolle in photogrammetrischen Systemen, die auf der Aufnahme von Bildern zur Rekonstruktion dreidimensionaler Strukturen im Raum basieren. Diese Systeme nutzen die grundlegenden Prinzipien der Kamerabildgebung und Triangulation, wie in Abbildung 2 dargestellt, und bieten einen konzeptionellen Rahmen zum Verständnis des der Photogrammetrie inhärenten 3D-Rekonstruktionsprozesses.
Abbildung 2: Prinzip der Kamerabildgebung und Triangulation
Die Aerotriangulation, basierend auf Photogrammetrie, ist eine gängige Methode zur dreidimensionalen Rekonstruktion. Kodierte Marker können als Mittel zur Kalibrierung der internen Kameraparameter dienen. Während der Kamerakalibrierung für die Aerotriangulation werden mehrere Fotos aus verschiedenen Winkeln aufgenommen, die sich auf mehrere kodierte Marker konzentrieren. Jeder kodierte Markerpunkt entspricht einem eindeutigen Codewert, der wesentliche Informationen für die Bilderkennung liefert. Die internen Kameraparameter, wie Brennweite, Verzerrung und Versatz, können mithilfe von Triangulationsalgorithmen bestimmt werden.
Eine Schlüsselanwendung der Photogrammetrie ist die Aerotriangulation, eine Methode, die üblicherweise zur 3D-Rekonstruktion eingesetzt wird. In diesem Zusammenhang sind kodierte Marker entscheidend für die Kalibrierung der internen Kameraparameter. Diese Kalibrierung beinhaltet die Aufnahme mehrerer Bilder aus verschiedenen Winkeln, wobei jedes Bild auf verschiedene kodierte Marker fokussiert ist. Jeder Marker ist durch seinen spezifischen Codewert eindeutig identifizierbar, was wichtige Daten für die Bilderkennung und -verarbeitung liefert.
Der Prozess nutzt Triangulationsalgorithmen, um die internen Kameraparameter zu bestimmen, einschließlich Brennweite, Verzerrungskoeffizienten und Hauptpunktversatz. Die Festlegung dieser Parameter ist grundlegend für eine genaue Bildanalyse und 3D-Rekonstruktion.
In praktischen Szenarien wird es nach der Bestimmung der internen Kameraparameter möglich, die relativen räumlichen Beziehungen zwischen den gescannten Objekten zu erkennen. Dieses Verständnis ist entscheidend für eine genaue Kartierung und 3D-Modellierung.
Abbildung 3: Gängige Codier-Marker
Abbildung 3 zeigt einige typische Beispiele kodierter Marker. Diese Marker sind mit einem zentralen Kreis oder Kreuz ausgestattet, um eine präzise Koordinatenpositionierung zu ermöglichen. Um diesen zentralen Punkt herum kodieren kreisförmige Bänder spezifische Informationen, die durch vorbestimmte Regeln entschlüsselbar sind. Funktionell ähnlich wie QR-Codes enthalten diese Marker vorab berechnete Codes. Wenn sie von der Kamera erfasst werden, werden diese Codes dekodiert, um den eindeutigen Bezeichner jedes Markers zu identifizieren, wodurch eine genaue und effiziente 3D-Rekonstruktion und räumliche Analyse gewährleistet wird.
Vorteile von kodierten Markern sind:
Eindeutige Identifikation: Jeder Marker hat einen eindeutigen Code, der Verwechslungen verhindert und die Datenintegrität gewährleistet.
Hohe Präzision: Sie bieten eine exakte Positionierung, entscheidend für Branchen wie Fertigung und Gesundheitswesen.
Automatische Erkennung: Scanner erkennen diese Marker automatisch, was die Effizienz steigert und Fehler reduziert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass kodierte Marker in puncto Präzision, insbesondere in großen Räumen, hervorragend sind, was sie in bestimmten Anwendungen nicht-kodierten Markern überlegen macht.
Nicht-kodierte Marker
Nicht-kodierte Marker, die im 3D-Scanning mit Geräten wie Handlasern oder stationären Scannern von Scantech 3D weit verbreitet sind, sind entscheidend für eine genaue Ausrichtung. Bekannt für ihr kreisförmiges Design, sind diese Marker die erste Wahl, um eine präzise Ausrichtung von Markerpunkten in verschiedenen Scananwendungen zu gewährleisten.
Abbildung 4: Gängige unkodierte reflektierende Marker
Vorteile der Kreisform: Nicht-kodierte Marker sind üblicherweise kreisförmig, um eine konsistente Erkennung als Ellipsen durch die maschinelle Bildverarbeitung, unabhängig vom Winkel, zu gewährleisten. Der Mittelpunkt der Ellipse bietet einen stabilen Referenzpunkt, der für eine präzise Mittelpunktsbestimmung entscheidend ist.
Entwicklung und Materialfortschritte: Anfangs waren Marker einfach, oft selbstgemacht aus gedruckten Punkten oder handgezeichneten Kreisen auf Papier, die von einfachen festen Scannern erkannt wurden. Dieser rudimentäre Ansatz führte jedoch zu instabilen Stitches und erhöhten Risiken von Fehlidentifikationen, was die Qualität der Punktwolke beeinträchtigte. Moderne Druckfortschritte haben zu Markern mit scharf definierten Kanten, minimaler Formabweichung und oft einem reflektierenden Innenmaterial geführt. Diese reflektierenden Marker, obwohl etwas teurer, bieten erhebliche Vorteile.
Vorteile von reflektierenden Markern:
Verbesserte Erkennung: Reflektierende Marker ermöglichen es Kameras, auch bei geringer Belichtung, Marker zu erkennen, während Hintergrundrauschen herausgefiltert wird. Dies minimiert Fehlidentifikationen, spart Rechenressourcen und steigert die Effizienz und Genauigkeit des Scannens.
Varianten und Spezialanwendungen: Auf dem Markt erhältliche unkodierte Marker gibt es in verschiedenen Durchmessern (z.B. 3mm, 6mm, 12mm), um unterschiedlichen Scanentfernungen und -szenarien gerecht zu werden. Einige Marker verfügen über freie Rotation, wodurch eine konsistente Ausrichtung beibehalten wird, während andere magnetische Eigenschaften für eine einfache Befestigung an Metalloberflächen besitzen.
Prinzipien des Zusammenfügens von unkodierten Markern:
- Markerpunktgruppen:Dreiergruppen von Markern (z.B. 1, 2, 3) werden gruppiert und bilden die Grundlage für die Ausrichtung.
- Ausrichtungsprozess:Wenn eine neue Gruppe (a, b, c) erkannt wird, vergleicht der Scanner ihre Geometrie – Längen und Winkel – mit bestehenden Gruppen (1, 2, 3). Stimmen sie überein, wird gefolgert, dass die neue Gruppe einer zuvor identifizierten Gruppe entspricht.
- Etablierung der Korrespondenz:Eine Eins-zu-Eins-Zuordnung wird zwischen der neuen und den bekannten Gruppen erstellt, um sicherzustellen, dass sie dasselbe Koordinatensystem teilen.
- Datenausrichtung:Mithilfe dieser Korrespondenz führt der Scanner die neuen Daten mit dem bestehenden Datensatz zusammen und erstellt so ein kohärentes 3D-Modell.
Die Stärke dieser Methode liegt in ihrer Einfachheit: Sie benötigt keine eindeutigen Codes auf Markern, sondern nutzt die geometrische Ähnlichkeit zur Markeridentifikation. Dies kann in dynamischen Umgebungen, in denen Marker häufig neu positioniert oder hinzugefügt werden, besonders vorteilhaft sein.
Innovative Nutzung von Markern in der Scantech KSCAN-Magic Serie
Einzigartiges Marker-Design:
Kodierte Marker: Die KSCAN-Magic-Serie verwendet mehrere nicht-kodierte Marker, um einen einzigartigen kodierten Marker zu bilden. Diese Struktur, die sich von traditionellen Designs (wie in Abbildung 3) unterscheidet, gewährleistet eine präzise Standortbestimmung mit einer zentralen Position für jeden kodierten Punkt, wie in den Abbildungen 5 und 6 gezeigt. Darüber hinaus sind diese Marker aus magnetischem Gummi gefertigt, um eine mühelose Befestigung an Metalloberflächen zu ermöglichen.
Nicht-kodierte Marker: Reflektierende Marker werden wegen ihrer zuverlässigen Leistung in der nicht-kodierten Kategorie bevorzugt.
Abbildung 5: Codierte Marker Nr. 751
Abbildung 6: Codierte Marker Nr. 753
Synergistische Nutzung von kodierten und unkodierten Markern:
Um die Einschränkungen von Handscannern beim Scannen großer Flächen zu überwinden, setzt die KSCAN-Magic Serie eine strategische Kombination aus kodierten und unkodierten Markern ein. Das System beginnt mit dem Vorscannen der Marker mittels interner Photogrammetrie, wobei kodierte Marker zusammen mit unkodierten Markern um das Objekt platziert werden. Dieser Ansatz nutzt die Stärke der Photogrammetrie zur Genauigkeitskontrolle und ermöglicht die präzise Rekonstruktion von unkodierten Punkten innerhalb der Grenzen der photogrammetrischen Genauigkeit. Der Scanner mildert die Genauigkeitsverschlechterung, die typischerweise mit größeren Scanbereichen verbunden ist, indem er die vorgescannten Markerpunkte global anpasst. Dies gewährleistet nicht nur eine gleichmäßige Genauigkeitsverteilung über den gesamten Scan, sondern bewahrt auch die komplexen Details in lokalisierten Bereichen, wodurch eine hohe Genauigkeit während des gesamten Scanvorgangs erhalten bleibt.
Abbildung 7: KSCAN-Magic Arbeitsszene mit Photogrammetrie
Das Verständnis dieser grundlegenden Konzepte über Marker ist unerlässlich für ein tiefgreifendes Verständnis der Nuancen der 3D-Scantechnologie. Vielen Dank für Ihre Zeit, sich mit diesem Inhalt auseinanderzusetzen. Sollten Sie weitere Fragen haben oder detailliertere Informationen benötigen, steht Ihnen das Team der Experten von iReal 3D jederzeit gerne zur Verfügung.