3D-Scannen mit Wasser

Ein Team von Informatikern und Konstrukteuren hat eine neuartiges Verfahren entwickelt, komplexe 3D-Objekte vollständiger zu rekonstruieren. Dabei diente eine alte wissenschaftliche Erkenntnis als Grundlage für die Lösung, welche die bestehende Herausforderung in der 3D-Digitalisierung angeht. Der neue Ansatz basiert auf dem bekannten Archimedischen Prinzip der Wasserverdrängung und wandelt die Oberflächenrekonstruktion in eine volumetrische Aufgabenstellung um.

Bemerkenswerterweise lassen sich mit dem Verfahren auch versteckte Teile eines Objekts modellieren, die typische 3D-Laserscanner nicht erfassen können. Die Studie „Dip Transform for 3D Shape Reconstruction“ hat eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universitäten Tel-Aviv, Shandong, Ben-Gurion und British Columbia verfasst, die ihre Arbeit an der SIGGRAPH 2017 in Los Angeles ab dem 30. Juli präsentieren wird.

Traditionelle Methoden der 3D-Erfassung oder –Rekonstruktion beruhen auf optischen Einheiten. Am meisten verbreitet sind Laserscanner und Kameras, welche die sichtbare Oberfläche der Form abtasten. Aber dieses gebräuchliche Vorgehen ist nach Ansicht der Wissenschaftler zu sehr mit Störungen behaftet und unvollständig. Die meisten Geräte können nur erfassen, was für sie sichtbar ist, während die versteckten Teile eines Objekts den Scannern unzugänglich bleiben. Ein Laserscanner kann etwa die Unterseite einer Elefantenstatue nicht akkurat erfassen, sie liegt außerhalb von dessen Sichtfeld.

Dip Transform setzt dagegen auf Flüssigkeit, um komplexe 3D-Formen zu rekonstruieren und berechnet das Volumen eines 3D-Objekts anstelle seiner Oberfläche. Das ermöglicht eine vollständigere Erfassung eines Objekts mit versteckten Details. Flüssigkeiten haben keinen Sichtbereich; sie können in Hohlformen und versteckte Teile eindringen. Sie behandeln transparente und glänzende Materialien genauso, wie undurchsichtige und umgehen somit die visuellen und optischen Beschränkungen der laserbasierten Scanner.

Für die Studie wurde ein kostengünstiger Eintauchapparat entwickelt, ein Roboterarm, der die Objekte im Wassertank entlang einer Achse versenkte. Dann konnte das verdrängte Flüssigkeitsvolumen gemessen und dieses in eine Serie von Schnitten der Form umgesetzt werden. Durch das Eintauchen in verschiedenen Winkel gelang es, die Geometrie des Objekts zu erfassen, mitsamt den Teilen, die normalerweise für einen 3D-Scanner unsichtbar wären.

Das Verfahren ist mit der Computer-Tomografie verwandt. Doch tomografiebasierte Geräte sind massiv und teuer, so dass sie sich nur in sicheren und auf sie zugeschnittenen Umgebungen verwenden lassen. Der neue Ansatz ist dagegen sowohl sicher als auch kostengünstig.

An einer Reihe von unterschiedlich komplexen 3D-Formen fand die Methode bereits Anwendung, etwa einer zur Faust geballten Hand oder einer DNA-Doppelhelix. Dabei zeigte sich, dass diese Art der Rekonstruktion fast dem originalen 3D-Modell entspricht und somit neue nichtoptische 3D-Erfassungstechniken erschließen könnte.

Bild: 3D-Scannen mit Dip Transform. Das Objekt wird mittels Roboterarm ins Wasser eingetaucht (links) mit Dip Transform erfasst und rekonstruiert (rechts). Die Methode sorgt für eine vollständige Rekonstruktion der komplexen Gestalt, mitsamt versteckten Teilen und Kavitäten.

Paper und Video: http://irc.cs.sdu.edu.cn/3dshape/.