Ein Blick unter die digitale Motorhaube:

Von: Oliver Bürkler, Director of Laser Scanning

Bei einem jährlichen globalen Wachstum des Baumarkts von voraussichtlich über 10 % sind neue Technologien unerlässlich, um den Fortschritt auf Baustellen genau und effizient zu scannen und zu kategorisieren.

Wie in Teil I dieser dreiteiligen Serie beschrieben, ist die patentierte Hybrid Reality Capture, Powered by Flash Technology von FARO eine Technologie, die 360°-Panoramabilder mit einem Hochgeschwindigkeitsscan kombiniert und in weniger als 30 Sekunden vollfarbige Scans erstellt. Sie tut dies praktisch ohne Verlust der Datengenauigkeit. Damit ist sie für den Bau ein bahnbrechendes Werkzeug. Teil II dieser dreiteiligen Serie befasst sich mit der Software, die der Flash Technology zugrunde liegt, und damit, wie sie in Verbindung mit den Laserscannern FARO Focus Core, Premium und Premium Max funktioniert.

Alles beruht auf unseren intelligenten Upscaling-Algorithmen. Die Ausgabe umfasst alle gesammelten Bilder und Punkte, die von einer Ricoh Theta Z1 360°-Kamera und einem Focus Core-, Premium- und Premium Max-Laserscanner erfasst wurden, wodurch Vollfarbscans entstehen, die schärfer aussehen als Scans gleicher Auflösung, die mit herkömmlichen Methoden erstellt wurden.

Hybrid Reality Capture kam im April 2023 auf den Markt und basiert auf Flash Technology-Funktionen als Scanmodus für die Focus Scanner, auf die über die mobile FARO Stream-App zugegriffen werden kann.

Zu beachten ist auch, dass Flash für Focus Core- und Premium-Benutzer als Einjahresabonnement und beim Premium Max mit einer unbefristeten Lizenz angeboten wird.

Mit FARO Stream, kostenlos verfügbar auf iOS- und Android-Plattformen, profitieren Benutzer von Folgendem:

• Steuerung aller FARO Geräte, Focus Laserscanner, Orbis Mobile Scanner und zukünftigen Scanner
• Vorabregistrierung erfasster Scans direkt vor Ort, um die Vollständigkeit von Daten sicherzustellen und Fehler bei der Registrierung außerhalb des Standorts zu vermeiden
• Sammlung ergänzender Daten als Anmerkungen, die im Scan mit Bild- oder Dateianhängen versehen sind
• Hochladen der erfassten Daten direkt in Sphere XG, um das Projekt sofort mit allen Beteiligten zu teilen

Der Datenzugriff auf die Focus Scanner Flash-Scans erfolgt über FARO Sphere XG, eine cloudbasierte SaaS-Informationsplattform. Sie eignen sich daher ideal für Unternehmen und Behörden, die im Rahmen ihrer Anforderungen zur Bestandsaufnahme, Fortschrittsüberwachung und Ereignisplanung umfangreiche 3D-Reality-Capture-Scans von Gebäuden, Infrastrukturen, Korridoren, Bergwerken und Wäldern durchführen.

Wie funktioniert die Flash-Technologie? (Upscaling vs. Extrapolation)

Das Herzstück der Flash Technology für die Focus-Produktlinie ist ein Prozess namens Bild-Upscaling oder -Interpolation. Upscaling, wie von Upscale.media definiert, beginnt mit einem Bild niedriger Auflösung und verbessert dessen visuelle Qualität auf höheren Ebenen.

Dies geschieht durch einen Algorithmus, der zwischen zwei Bildern interpoliert. Da die Software nicht auf den vollständigen Datensatz (d. h. jeden möglichen Datenpunkt) zugreifen kann, kann sie lediglich eine Schätzung auf der Grundlage einer mathematischen Formel vornehmen. Man sollte wissen, dass dieser Mangel an Daten kein Versagen irgendeiner Art ist. Vielmehr handelt es sich um eine alltägliche Variable in Wissenschaft und Technik, bei der ein Zwischenwert nicht bekannt ist, aber probabilistisch mit hoher Wahrscheinlichkeit auf der Grundlage anderer bekannter Datenpunkte bestimmt werden kann.

In der Vergangenheit nutzten Softwareingenieure Interpolation oder Upscaling, um Tools zu entwickeln, mit denen Benutzer Bilder vergrößern können. Dadurch werden ihnen Pixel hinzugefügt. Um ein wertgetreu vergrößertes Bild zu erstellen, verwenden Größenanpassungstools die Daten aus dem Originalbild, um neue Werte zu interpolieren, so dass sie Pixel zwischen den ursprünglichen Datenpunkten hinzufügen können. Softwareentwickler können Interpolation auch in Videospielen verwenden, um die Bewegungen der Charaktere zu kodieren.

Hybrid Reality Capture funktioniert nach denselben Prinzipien. Der 3D-Scan mit geringerer Auflösung ist schneller zu erfassen, was zu weniger Daten führt. Diese Datenlücken werden jedoch durch Daten aus 360°-Panoramabildern ergänzt. An dieser Stelle kommt das Upscaling von Bildern ins Spiel. Mit Flash Technology ermittelt die Software bei Bildpunkten aus der Kamera, für die es keinen 3D-Punkt gibt und für die nach den Nachbarn dieses Punkts gesucht wird, ob es dafür eine 3D-Koordinate gibt. Und dann interpoliert sie geschickt zwischen den benachbarten Punkten, um einen neuen 3D-Punkt für ein koloriertes Pixel zu erstellen. Ist der Betrachtungswinkel zu flach, erzeugt Flash Technology keinen Interpolationspunkt dazwischen.

Im zweiten Schritt prüft die Technologie, ob der Einfallswinkel und die Parallaxe, die die beiden Kameras haben, diesen Punkt unterstützen. Wenn sie ihn unterstützen, behält ihn die Software und fährt mit der Erzeugung des Bildes fort.

Wissenswertes:

• Einfallswinkel – Ein Lichtstrahl trifft an einem Punkt auf eine Oberfläche. Von diesem Punkt aus wird die Linie, die im 90°-Winkel zur Oberfläche gerade nach oben verläuft, als Normale bezeichnet. Der Winkel zwischen der Normalen und dem Lichtstrahl wird als Einfallswinkel bezeichnet. Sie messen den Winkel zwischen der Normalen, die 0 Grad beträgt, und dem Lichtstrahl.
• Parallaxe – Die scheinbare Verschiebung oder der Unterschied in der scheinbaren Richtung eines Objekts, gesehen von zwei verschiedenen Punkten aus, die nicht auf einer geraden Linie mit dem Objekt liegen. Am einfachsten können Sie sich das vorstellen, indem Sie ein Objekt betrachten und abwechselnd die Augen schließen. Das Bild, das Sie betrachten, scheint seine Position zu ändern, je nachdem, aus welchem Auge Sie es betrachten. Die Position des Objekts hat sich nicht geändert, wohl aber Ihre Wahrnehmung seines Standorts.

Ein entscheidender Aspekt dessen, was Flash Technology für Focus Core, Premium und Premium Max so intuitiv und benutzerfreundlich macht, besteht darin, dass die gesamte Formeleingabe, alle Messungen in Bezug auf Einfallswinkel und Parallaxe, die zu akzeptierenden und abzulehnenden Datenpunkte sowie die Aufschlüsselung, was tatsächliche Daten im Vergleich zu hochskalierten Daten sind, im Hintergrund erfolgen. Der Benutzer sieht nur die vollständig kolorierte Hybrid-Komposition aus Panoramabild und 3D-Laserscan.

Zu den zusätzlichen Vorteilen hinter den Kulissen gehören:

• Optimierter Scanbetrieb – Eine Scanfunktion, bei der das Gerät koordiniert, was der Scanner in welcher Reihenfolge tut, um die Geschwindigkeitseffizienz zu maximieren: wann der Scanner zu rotieren beginnt, wann die Bilder aufgenommen werden usw. So wird z. B. immer zuerst das Panoramabild aufgenommen, dann der Scan.
• Optimiertes Streaming auf Mobilgeräte – Optimierte Übertragung und Nutzung von Punktwolken auf Mobilgeräten, um die Registrierung im Feld bestmöglich zu beschleunigen und eine effiziente Nutzung der Zeit vor Ort zu gewährleisten.
• Grober Neigungsmesswert – Eine Möglichkeit, die Ebenheit eines Scans zu messen. Normalerweise dauert dieser Schritt etwa 10 Sekunden, doch mit Flash Technology dauert es nur 1 Sekunde, um die erforderlichen Daten abzurufen. Auch wenn eine 1-Sekunden-Messung des Neigungsmessers weniger genau ist als eine 10-Sekunden-Messung, sind die Daten genau genug für 99 % der bestehenden und prognostizierten neuen Kundenanwendungsfälle.

Außerdem ist zu beachten, dass zwar zwangsläufig einige Daten nicht erfasst werden, es sich jedoch bei einem Datenverlust in einem Hybrid Reality Capture-Bild selbst bei diesem kleinen Erfassungsmangel nicht unter allen Umständen um einen gleichmäßigen Datenverlust handelt. Beispielsweise verfügt Flash Technology in einer vollständigen vertikalen Linie über volle Auflösung. Es ist der Abstand zwischen diesen Zeilen, der größer wird. In Grad ausgedrückt dreht sich der Spiegel des Focus Core/Premium/Premium Max-Laserscanners mit 100 Umdrehungen pro Sekunde um 360°. Das bedeutet, dass der Focus Scanner 100 Mal pro Sekunde zwei vertikale Linien erzeugt, eine vor dem Scanner und eine dahinter. Danach dreht sich der Scanner 10 Sekunden lang, um einen Scan durchzuführen. Und in diesen 10 Sekunden entstehen horizontal 2.000 Zeilen oder 2.000 Schritte pro 360°.

Hierbei ist zu betonen, dass die 3D-Punktwolke hochskaliert wird, nicht das Bild selbst. Flash Technology nimmt die obigen Daten und skaliert sie nach der Verarbeitung horizontal auf 4.000 Schritte hoch. Dies mag kontraintuitiv klingen, aber genau hier ist Flash Technology führend in der Marktentwicklung. Während des gesamten Aufnahmeprozesses bleibt das Bild der PanoCam bei 23 Millionen Punkten pro Foto – die Punktwolke im Hintergrund wird hochskaliert.

Für den Benutzer entstehen also keinerlei visuelle Auswirkungen, da das Bild, das er sieht, dasselbe bleibt. Vor dem Upscaling würde der Scan mit niedriger Auflösung nur bei jedem vierten Pixel des Fotos eine 3D-Koordinate erzeugen. Nach dem Upscaling existiert für fast jedes Pixel des Fotos eine 3D-Koordinate.

Warum ist Flash Technology anders und wofür ist sie ideal?

Für Kunden, die schon länger im Bereich 3D-Messung und Laserscanning tätig sind, sollte schon ein flüchtiger Blick in die Focus-Broschüren mit den Flash Technology-Erweiterungen ausreichen, um die Unterscheidungsmerkmale der Produkte deutlich zu machen. Bei weniger erfahrenen Kunden oder potenziellen neuen Käufer könnten jedoch Unklarheiten aufkommen – vor allem, wenn andere Laserscanner-Hersteller fotografische Bilder ebenfalls mit 3D-Scans ergänzen.

Hier gibt es mehrere Unterschiede: Der wichtigste besteht darin, dass Flash Technology als unabhängiger Scanmodus für den Scanner fungiert, der je nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden kann.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Farbe. In der Vergangenheit waren kolorierte Scans ein kostspieliges und zeitaufwändiges Unterfangen, insbesondere bei großvolumigen Projekten, die Hunderte von Scans erfordern. Eine Zeit lang war diese Hürde für die Produktakzeptanz so hoch, dass einige Kunden farbiges Scannen ganz verwarfen und sich stattdessen dafür entschieden, auch ohne diese Technik zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Da Farbscans bei Flash Technology nur eine Sekunde zum Erfassen benötigen, wird Hybrid Reality Capture das Interesse an dieser Fähigkeit wahrscheinlich neu entfachen und farbiges Scannen zu einer sowohl wirtschaftlich als auch zeitlich sinnvollen Entscheidung machen – wohl zum ersten Mal seit der Entwicklung von Farbscans.

Darüber hinaus trägt Flash Technology dazu bei, den Markt insgesamt zu einem visuelleren Erlebnis zu führen, da auch andere Unternehmen eigene hochauflösende Fotografien, Videos und 360°-Bildaufnahmen einführen.

Fazit: Hybrid Reality Capture ist eine völlig andere Kategorie der Bilderfassung, eine innovative Methode, über die Beziehung zwischen einem Panoramabild und einer 3D-Punktwolke nachzudenken. In gewisser Weise hat sich der Prozess umgekehrt. Niemand sonst beginnt mit dem fotografischen Bild und skaliert dann die 3D-Punktwolke hoch, um die Daten zu ergänzen. Das aber war die Voraussetzung für eine beispiellose Geschwindigkeit bei der Erfassung.

Zum Verfasser

Oliver Bürkler ist Director of Laser Scanning bei FARO Technologies, Inc. Er erwarb seinen Master in Feinwerktechnik und Betriebswirtschaftslehre an der Hochschule für angewandte Wissenschaften in München. Als Teil des FARO 3D-Laserscanner-Produktmanagerteams konzentriert sich Bürkler seit mehr als 20 Jahren auf die Entwicklung der 3D-Dokumentationshardware und neuer Innovationen von FARO.