Computer Vision -
Ein Open-Source Verfahren zur fotobasierten 3D- Grabungsdokumentation

Von Bernhard Fritsch

Übersicht

Als eine günstige und sehr effiziente Alternative zu den in der Archäologie mehr und mehr eingesetzten Laser-Scannern hat sich in den letzten Jahren die Methode der Structure-from-Motion (SfM), ein Teilbereich der Computer Vision (maschinelles Sehen) entwickelt.

Grundlage dieser Technik ist eine Software, welche es ermöglicht aus einer Reihe sich überlappender Digitalfotos maßstabsgetreue 3D-Modelle herzustellen.

Gerade für die archäologische Feldarbeit ergeben sich durch die Anwendung von Structure-from-Motion hervorragende Möglichkeiten für eine digitale Grabungsdokumentation sowie genauer und weiterführender Analysen. Auch für die Unterwasserarchäologie ist SfM einsetzbar.

Die für gewöhnlich sehr unregelmäßigen Oberflächen, welche auf einer Grabung vorhanden sind ermöglichen der Software optimale Rekonstruktionen. Noch dazu wird nur sehr kostengünstige und flexible Ausrüstung dafür benötigt.

Der grundsätzliche Arbeitsablauf lässt sich grob in drei Schritte einteilen. Zunächst werden auf der Grabung eine Reihe von Digitalfotos vom zu modellierenden Schnitt, Fund oder Befund erstellt. Aus diesen Fotos wird dann am Computer das 3D-Modell berechnet, welches zuletzt je nach Anforderung bearbeitet und analysiert wird.

So können sowohl Stratigraphie als auch Befunde und Funde zeiteffizient in sehr hoher Qualität dokumentiert werden. Es besteht die Möglichkeit, die 3D Modelle der einzelnen Objekte in einen Grabungsplan zu integrieren, oder eine komplette Dokumentation in 3D zu erstellen.

Für die Datenaufnahme der Grabungssituation wird nicht mehr benötigt als eine Digitalkamera, in möglichst vielen Bildern sichtbare, unbewegte Messpunkte (mindestens vier pro Modell) sowie ein Tachymeter zum Einmessen der Referenzpunkte. Die Anzahl der benötigten Digitalfotos richtet sich nach dem jeweiligen Objekt. Sie kann zwischen idealerweise 24 Fotos (um eine ausreichende Überlappung bei einer kompletten Umrundung zu garantieren) und mehreren hundert Fotos für komplexere Strukturen schwanken.

Die erreichten Modelle können so eine in der Anfertigung in jedem Fall wesentlich zeitaufwendigere Zeichnung ersetzen und bieten zugleich die Chance für viele weiterführende Untersuchungen.

Im Gegensatz zu einem Laserscanner ist im Grunde keine zusätzliche Ausrüstung auf der Grabung notwendig. Außerdem ist es mit einer Digitalkamera möglich, auch Bereiche, in die ein Laserscanner nur sehr umständlich oder gar nicht herankommt (zum Beispiel tiefe, enge Schnitte) abzudecken. Der Einsatz einer Kamera ist wesentlich wetterbeständiger und kann so auch unter Zeitdruck noch sehr gute Ergebnisse erzielen.

Die Berechnung des 3D-Modells erfolgt dann am Computer. Die Geschwindigkeit der Berechnung ist stark von der Rechenleistung des Computers abhängig, die Realität hat jedoch gezeigt, dass für einzelne Grabungsschnitte ein Laptop auf der Grabung durchaus ausreichend ist. Die Ausführung des Open-Source-Prozesses erfordert zwar im Moment noch die Nutzung mehrerer verschiedener Programme, welche sich aber alle mit Hilfe einer GUI (grafischer Benutzeroberfläche) bedienen lassen.

Vorgehen

Die zunehmende Nutzung von Structure-from-Motion, auch in anderen Bereichen wie Modellbau oder Tourismus, hat zu diversen Weiterentwicklungen im Softwarebereich geführt und setzt sich stetig fort. Neben kommerziellen, teilweise für Archäologen optimierte Lösungen (wie zum Beispiel aspect3D von Arctron) oder Web-Services (wie z. B. 123D-Catch oder Arc3d) existiert auch ein kompletter, unabhängiger Open-Source-Workflow, welcher sehr gut für eine digitale Grabungsdokumentation geeignet ist. Es ist dafür keine Internetverbindung oder proprietäre Software, welche eventuell nur auf einem speziellen Computer installiert ist, nötig.

Mittlerweile gibt es verschiedene Möglichkeiten, zu einem für Archäologen brauchbaren Modell einzelner Schichten, Schnitte oder Objekte zu gelangen. Einzelne Vorgehensweisen werden in verschiedenen Blogs beschrieben und diskutiert (siehe die unten verlinkten Blogs von ATOR (Arc-Team Open Research) oder Markaeology). Im Folgenden wird nur ein weiterer Weg beschrieben, welcher momentan sehr praktikabel und schnell zu erlernen scheint.
[ ATOR - Arc-Team Open Research ]
[ Markaeology (Mark Willis) ]

Um die 3D-Punktwolke der archäologischen Objekte (Fund oder Befund) zu erstellen, können die Softwarepakete Bundler, CMVS und PMVS2 (welche unter Linux einfach installiert werden können: https://server.topoi.hu-berlin.de/groups/bundlertools/) oder Visual SFM (für Windows; frei, aber geschlossener Quellcode) genutzt werden.

Das Beschneiden und Reinigen der 3D Punktwolke erfolgt in Meshlab und CloudCompare, weiterführende Analysen können in Paraview oder GRASS GIS erledigt werden. Auch ein Import der Modelle in CAD-Systeme ist möglich.

Ein wichtiger Aspekt in dem beschriebenen Prozess ist, dass sich die von den Structure-from-Motion-Systemen erstellen Punktwolken zunächst in einem relativen Koordinatensystem befinden. Um die Modelle, zum Beispiel von einzelnen Schichten, für die archäologische Dokumentation und Forschung nutzbar zu machen, ist es nötig, die Punktwolken zu georeferenzieren. Dies erfolgt anhand der in den Fotos aufgenommen Messpunkte und deren eingemessenen Koordinaten.

In Zusammenarbeit mit dem Forschungsverbund TOPOI und GRASS GIS wurden nun Module entwickelt, die die Georefernzierung der Punktwolken erlauben und zugleich das jeweilige Modell in ein GIS-System einbindet. Die neuen Module v.in.ply (zum Import der Punktwolke), v.rectify (zur eigentlichen Transformation in die richtigen Koordinaten) und v.out.ply (zum Export der georefernzierten Modelle zur möglichen Weiterbearbeitung) stehen ab der Version GRASS GIS 7 zur Verfügung. Das Auswählen der korrespondieren Koordinaten in der Punktwolke ist in einem vorhergehenden Schritt in Cloud Compare bequem durchzuführen. Nach der Georefernzierung lassen sich die 3D-Objekte problemlos in Grabungspläne integrieren.

Fazit

Der hier beschriebene Ablauf ermöglicht, mit Hilfe einer Digitalkamera und einem Computer maßstabsgerechte 3D-Modelle zu erstellen, welche für die archäologische Dokumentation und wissenschaftliche Auswertung genutzt werden können. Die Methode kann eine enorme Zeitersparnis auf der Grabung einbringen, erfordert aber einen gewissen Zeitaufwand am Computer. Die gewonnen Daten sind dafür aber vielseitig auswertbar und objektiver als herkömmliche Methoden.

Trotzdem ist eine genaue Beschreibung der Grabungssituation als Ergänzung natürlich nicht zu vernachlässigen. Dadurch wird der haptische Bezug zum Befund immer noch ausreichend gewährleistet. Die bekannten Nachteile der Methode - dass sie nicht ausnahmslos für alle Materialien wie Glas oder reflektierende Objekte geeignet ist und dass unter Umständen einige Rechenpower zum Erstellen der Modelle notwendig sind - ist in der Praxis für archäologische Grabungen zu vernachlässigen. Zudem unterliegt sowohl die Software im Bereich von SfM und 3D-Anwendungen als auch die Leistung der Hardware ständigen Weiterentwicklungen, so dass schon in naher Zukunft mit noch besser optimierten Systemen zu rechnen ist.

Aber schon jetzt ist die Genauigkeit der anhand von Fotos erstellten 3D-Modelle erwiesenermaßen für archäologische Zwecke mehr als ausreichend. Auch für Kleinfunde ist daher diese Technik fast uneingeschränkt nutzbar.

Ein großer Vorteil durch das Nutzen von Open Source Lösungen, ist, neben ökonomischen Gründen, die dadurch für alle interessierten Personen gewährte Bereitstellung, Darstellung und Zugänglichkeit der Daten und Grabungs- und Forschungsergebnisse. Somit fügt sich die hier dargestellte Methode nahtlos in die Aussagen der "Berlin Declaration on Open Access to Knowledge in the Sciences and Humanities" ein.

Letztlich bleibt zu sagen, dass die momentane Benutzerfreundlichkeit der Möglichkeit einer kompletten, digitalen Grabungsdokumentation mit Open-Source-Anwendungen auf den Einzelnen abschreckend wirken mag. Nach einer kurzen Einarbeitung wird sich aber zeigen, dass auch ohne hochpreisiges Equipment und spezielle IT-Kenntnisse im Grabungsablauf mehr Vorteile als Nachteile im archäologischen Tagesgeschäft zu erzielen sind. Die benötigte wenige Ausrüstung, die Schnelligkeit und Flexibilität in der Datenakquise, die Präzision der Modelle und die außerordentlichen Möglichkeiten der Dokumentation und Auswertung von archäologischen Grabungen durch die Methode der Structure-from-Motion mit Hilfe von Open-Source Paketen ist gegenüber herkömmlichen Dokumentationsmethoden äußerst positiv zu bewerten.

Appendix

Werkzeuge für eine Digitale Grabungsdokumentation:

Schritt 1
Datenaufnahme	Digitalkamera, Messpunkte, Tachymeter	Hinweise zum Fotografieren: http://cdn1.ps1.photosynth.net/doc= s/Photosynth%20Guide%20v8.pdf
Schritt 2
Erstellen der 3D Punktwolke	Visual SFM, BundlerTools	http://homes.cs.washington.edu/~ccwu/vsfm/ https://server.topoi.hu-berlin.de/groups/bundlertools/
Schritt 3
Punktwolke reinigen, ggf. skalieren	Meshlab	http://meshlab.sourceforge.net/
Koordinatenpunkte auswählen	Cloud Compare	http://www.danielgm.net/cc/
Georeferenzierung	GRASS GIS	http://grass.osgeo.org/
Analyse	Paraview, Free CAD, GOM Inspect	http://www.paraview.org/ http://sourceforge.net/projects/free-cad/ http://www.gom.com/de/3d-software/gom-inspect.html

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Text: © 2012 Bernhard Fritsch
Abbildungen © wie in den Bildunterschriften angegeben