Smartphone als 3D-Scanner

3D-Scanner für den Hausgebrauch? Ein neuer Algorithmus könnte das schon bald ermöglichen: Jede handelsübliche Handy-Kamera soll damit in der Lage sein, Bilder für 3D-Modelle aufzunehmen, sagen die Entwickler. Der Tick dahinter: Der Algorithmus umgeht die aufwändige Synchronisation mit dem nötigen Projektor und nimmt stattdessen mehrere Bilder auf. Daraus sucht er sich die passenden Aufnahmen zusammen, um ein digitales 3D-Abbild fotografierte Gegenstände zu berechnen.

3D-Drucker sind mittlerweile etablierte Geräte und relativ kostengünstig zu haben. Fast alles lässt sich damit herstellen, von Werkzeugen bis zu Prothesen, aber auch Nachbildungen von Dinosaurierknochen oder explodierten Sternen. Doch damit der 3D-Drucker den gewünschten Gegenstand ausspucken kann, braucht er zunächst eine Anleitung: ein digitalisiertes 3D-Modell.

3D-Drucker sind weiter entwickelt als 3D-Scanner

Doch die nötigen Scanner, die solche Modelle einfach erstellen können, haben die sprunghafte Weiterentwicklung der 3D-Drucker bislang nicht mitgemacht: „Die 3D-Scanner auf dem heutigen Markt sind entweder sehr teuer“, sagt Gabriel Taubin von der Brown University im US-Bundesstaat Rhode Island, „oder sie können keine Bilder mit hoher Auflösung einfangen und sind deshalb nicht anwendbar, wenn Details wichtig sind.“

Gängige 3D-Scanner verwenden die sogenannte Streifenlichtprojektion, um dreidimensionale digitale Abbilder von Gegenständen zu erstellen: Ein Projektor wirft zunächst eine Reihe von Lichtmustern wie etwa Gitterlinien auf das Objekt, während eine Kamera das Bild aufzeichnet. Daraus, wie sich das Muster auf der Oberfläche verformt, lässt sich die Form des Gegenstands berechnen. Doch damit diese Technik funktioniert, müssen Projektor und Kamera genau aufeinander abgestimmt sein. Dies erfordert spezielle und damit teure Hardware.

Serienbild statt Synchronisation

Taubin und seine Kollegen wollten diesen Prozess vereinfachen und vor allem günstiger machen. Sie haben einen Algorithmus erstellt, mit dem eine handelsübliche Kamera oder ein Smartphone in der Lage sein sollen, 3D-Modelle zu scannen – und zwar auch ohne mit dem Projektor zusammengeschlossen zu sein. Die Kamera muss lediglich Serienaufnahmen machen können, also in schneller Folge mehrere Bilder pro Sekunde speichern. Bei den meisten modernen Digitalkameras ist diese Funktion serienmäßig enthalten.

Vom Original zum 3D-Modell: Schrittweise erzeugt der Algorithmus aus unsynchronisierten Bildern der Streifenlicht-Muster zunächst brauchbare Bilder, dann ein digitales Abbild des Gegenstands. © Taubin Lab / Brown University

Ganz so einfach wie es klingt, ist es allerdings nicht: Damit der Algorithmus die Serienbilder verarbeiten kann, mussten die Programmierer einige Hindernisse überwinden. Die meisten Kameras nehmen ein Bild nicht als Ganzes auf, sondern tasten es zeilenweise Pixel für Pixel ab. Ohne die Synchronisation zwischen Kamera und Projektor könnte das projizierte Muster genau in dem Moment wechseln, während die Kamera ein Bild macht. So entstehen leicht Bilder, die ein Gemisch aus verschiedenen Mustern zeigen und für die weitere Verarbeitung unbrauchbar sind.

Synthetisiertes Bild aus passenden Teilen

Hier kommt der Algorithmus ins Spiel: Er erkennt zunächst die zeitliche Abfolge der verschiedenen Muster. Anschließend durchsucht er Pixel für Pixel jedes Bild und wählt passende Aufnahmezeitpunkte. Aus den gewählten Teilbildern errechnet er anschließend ein vollständiges Bild für jedes Muster.

„Mit dem Algorithmus können wir Bilder synthetisieren – eins für jedes projizierte Muster, als ob wir ein System hätten, in dem Muster und Bildaufzeichnung synchronisiert sind“, beschreibt Entwickler Daniel Moreno von der Brown University. Für die erstellten Bilder mit vollständigem Muster reicht ein Standard-Algorithmus, der anhand der Muster die dreidimensionale Form des Gegenstandes digital rekonstruiert und das vom 3D-Drucker benötigte Modell erstellt.

Blitzlicht zum Aufstecken statt Projektor

In der Praxis schneidet das System genauso gut ab wie ein synchronisiertes System mit Streifenlichtprojektion, berichten die Forscher. In ihren Tests verwendeten sie bislang einen Projektor, wie er auch bei bisherigen Systemen zum Einsatz kommt, allerdings ohne die Synchronisation.

Für die Zukunft halten sie jedoch auch eine Art „Streifen-Blitzlicht“ für denkbar. Dieses könnte dann als Zusatzgerät auf jede Kamera gesteckt werden, um dem Algorithmus die nötigen gemusterten Bilder zu liefern. „Wir glauben, dies könnte ein wichtiger Schritt sein, um präzise und genaue 3D-Scanner billiger und verfügbarer zu machen.“

(Brown University, 30.12.2015 – AKR)