Tutorial: Erstellung eines 3D-Bergwerkes

Beispielhafter Ablauf bei der Erstellung eines 3D-Bergwerkes

- mittels Agisoft Metashape

anhand des Bergwerkes Wille Gottes Stolln - Michel Hilbert

Motivation

Ein Großteil des Besucherbergwerkes "Wille Gottes Stolln" in Thalheim steht normalerweise unter Wasser. Die Besuchersohle, welche lediglich 10% des kompletten Berggebäudes ausmacht, kann das ganze Jahr befahren werden. Im Jahr 2018 und 2022 gab es jeweils für wenige Tage die Möglichkeit die komplette Grube zu befahren. Dabei stellte sich die Frage, wie das Bergwerk bestmöglich dokumentiert und zukünftig für die Besucher der normalen Besuchersohle präsentiert werden kann. Neben der Erstellung einer umfangreichen Fotodokumentation wurde die Aufnahme eines 3D-Modelles angestrebt.

Aufnahme von Bildern unter Tage

Für effiziente Aufnahmen unter Tage ist es entscheidend, zahlreiche scharfe und gut beleuchtete Bilder schnell zu erfassen. Aus meinen Erfahrungen mit kleineren Projekten habe ich zusammen mit meinem Bruder eine Smartphone- und Lampenhalterung entwickelt, die über einen Bluetooth-Auslöser verfügt. In dieser Halterung findet mein Huawei P30 Pro Smartphone sowie meine ThruNite TN30 Mini Taschenlampe mit 3200 Lumen Platz. Ein großer Vorteil dieser Konstruktion ist die Möglichkeit, Bilder deutlich schneller und in konstanter Qualität aufzunehmen. Innerhalb von acht Stunden lassen sich bis zu 5.000 Bilder erfassen.

Bei der Auswahl einer Taschenlampe sind zwei Hauptfaktoren entscheidend: eine ausreichende Akkulaufzeit bei maximaler Helligkeit (mindestens 2 Stunden) und eine konstante Lichtleistung. Aus diesem Grund werden viele moderne Taschenlampen mit vier 18650 Akkus betrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass einige Hersteller ihre hohen Lumenwerte, die 25.000 Lumen und mehr erreichen, nur für einen kurzen Zeitraum aufrechterhalten können – oft nur für einige Sekunden oder Minuten. Anschließend reduziert sich der Lichtstrom in der Regel auf ein Niveau zwischen 3.000 und 4.000 Lumen.

Für die Aufnahmen habe ich mein Huawei P30 Pro Smartphone verwendet, das sich aufgrund folgender Vorteile besonders eignet:

• Dank der "Pixel Binning"-Technologie, bei der mehrere Pixel zu einem größeren Pixel kombiniert werden, ermöglicht das Smartphone auch unter schwierigen Lichtbedingungen und bei leichter Bewegung die Erstellung scharfer Bilder.
• Das Gerät ist gemäß der IP68-Norm vollständig wasserdicht, was es für den Einsatz in feuchten oder nassen Umgebungen ideal macht.
• Sein geringes Gewicht ist ein entscheidender Faktor bei lang andauernden Einsätzen, da es die Handhabung und den Transport erheblich erleichtert.

Die Bilder wurden mit 10 MP im Format .jpg aufgenommen.

Im aktuellen Beispiel der Grube Wille Gottes wurden insgesamt 6.368 Bilder innerhalb von 3 Tagen aufgenommen. Die Aufnahmezeit der Bilder beläuft sich summiert auf 8 Stunden.

Rendering mittels Agisoft Metashape

Agisoft Metashape zeichnet sich als führende Software in der Photogrammetrie unter Tage durch ihre herausragenden Fähigkeiten aus, insbesondere in Bezug auf die Bildausrichtung. Neuerdings bietet die Software die Möglichkeit, Tiefenbilder zu erzeugen, was im Vergleich zur Erstellung einer erweiterten Punktwolke eine signifikante Leistungssteigerung darstellt. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte dieses Prozesses kurz dargestellt. Für das Rendering wird ein Laptop mit einer durchschnittlichen Konfiguration verwendet: Ryzen 7 5800H, RTX 3070 und 64GB RAM.

Fotos ausrichten (Generierung der ersten Punktwolke/ Verknüpfungspunkte)

Tipps:

•  Für das Rendering wurde die Genauigkeitseinstellung „Hoch“ gewählt. Die Option „Höchste“ führt nicht zu einer Verbesserung, da sie eine zusätzliche Hochskalierung der Bilder vornimmt. Die Einstellung „Hoch“ verwendet die Originalbilder, während alle niedrigeren Einstellungen eine Herunterskalierung der Bilder vornehmen.
• Agisoft stößt gelegentlich auf Probleme bei der Verarbeitung von Bildern mit unterschiedlichen Ausrichtungen, zum Beispiel, wenn einige Bilder versehentlich im Hochformat statt im Querformat aufgenommen wurden. Es empfiehlt sich, diese Bilder vor der Ausrichtung zu entfernen. Dies kann durch die Auswahl von „Bilder -> Gruppieren -> Kalibriergruppe“ erfolgen, wodurch die Bilder nach ihrer Ausrichtung in verschiedene Ordner sortiert werden. So können die fehlerhaft aufgenommenen Bilder leicht identifiziert und entfernt werden.

Mesh erzeugen

Wie bereits erwähnt kann eine "Mesh" aus einer Punktwolke (einfache oder erweiterten Punktwolke) oder aus Tiefenbildern erzeugt werden. In vielen Photogrammtrie-Programmen ist der Ablauf folgender:

1. erste Punktwolke/ Verknüpfungspunkte
2. erweitere Punktwolke
3. Mesh
4. Texturen

Die erweiterte Punktwolke nimmt hierbei die meiste Rechenzeit in Anspruch. Agisoft bietet seit einiger Zeit eine neue Alternative, welche nicht nur deutlich schneller ist, sondern auch bessere Ergebnisse liefert:

1. erste Punktwolke/ Verknüpfungspunkte
2. Tiefenbilderzeugung
3. Mesh
4. Texturen

Tipps:

• Verwendung von Tiefenbilder anstatt erweiterte Punktwolke
• Mesh erst mit hoher Flächenanzahl rendern und anschließend auf eine sinnvolle Anzahl je nach Anwendung herunterrechnen. Meine Erfahrungen:
  – 3D Viewer: max. 25.000.000 Flächen
  – Sketchfab: max 1.000.000 Flächen
  – VR via Oculus Quest 2: max 1.000.000 Flächen
• Mesh erst im dezimierten Modell "aufräumen"

Textur erzeugen

Agisoft Metashape zeigt Schwächen in der Texturerzeugung, wo andere Programme, wie beispielsweise 3DF Zephyr, bessere Ergebnisse erzielen. Im Folgenden sind meine bevorzugten Einstellungen aufgeführt:

Tipps:

• Es ist ratsam, eine hochauflösende Textur zu verwenden, statt Millionen von Flächen zu generieren. Der visuelle Unterschied zwischen 25.000.000 und 167.000.000 Flächen ist bei gleicher Texturqualität kaum wahrnehmbar.

Fazit

Mithilfe von Agisoft Metashape konnte auf einem durchschnittlichen Gaming-Laptop innerhalb von 18 Stunden ein umfassendes 3D-Modell erfolgreich gerendert werden.

Präsentationsmöglichkeiten

Infotafel

An der Kaue des Wille Gottes Stolln wurde mit Hilfe des 3D-Modelles eine Infotafel angebracht, welchem den Besucher den Umfang des Berggebäudes vermittelt:

Sketchfab

Ein reduziertes Modell mit 1.000.000 Flächen wurde via Sketchfab veröffentlicht. Die Besucher am Wille Gottes Stollen können vor Ort den QR-Code auf der Infotafel abscannen und das Modell direkt auf dem Smartphone besichtigen. Mit Hilfe der "Autopilot" Funktion können die wichtigsten Punkte im Bergwerk mit Erklärung erkundet werden. 

VR-Brille

Durch ein in Unity erstellte App für die Oculus Quest 2 können die Besucher des Wille Gottes Stolln nach der offiziellen Führung auf der Besuchersohle das restliche Berggebäude via VR-Brille besichtigen.