3D Scanner – Was ist das überhaupt?

In diesem Beitrag stelle ich dir das 3D Scannen vor. Was manch einer sicherlich als Mittel zum Zweck bei der Herstellung von bunten Figuren sieht, ist an sich eine eigene – sehr schöne – Disziplin in unserem Universum. Zunächst gebe ich dir eine Übersicht von unterschiedlichen 3D Scannern. Danach lernst du die verschiedenen Verfahren des 3D Scannens kennen und weißt am Ende des Beitrags hoffentlich viel mehr als jetzt.

Was ist 3D Scannen?

Bei der herkömmlichen Vorbereitung für den 3D Druck muss das zu druckende Objekt zunächst digital als CAD Modell erstellt werden. Dies setzt neben der dafür notwendigen Software auch detaillierte Kenntnisse über grundlegende Konstruktionsverfahren und natürlich auch die entsprechende Zeit voraus. Das 3D Scannen ersetzt den CAD Prozess durch berührungsloses Abtasten des zu druckenden Objektes mittels Laserstrahl und Lichtscanner. Durch die Möglichkeit, jegliche Objekte berührungslos vermessen zu können, eignet sich das 3D Scannen für die Digitalisierung von empfindlichen Kunstgegenständen, Prototypen und sogar Personen!
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Welche unterschiedlichen 3D Scanverfahren gibt es?

Es klingt fast zu einfach, um wahr zu sein: Statt sich mühsam und langwierig in die Materie von 3D-Grafiksoftware einzuarbeiten, nimmt mach sich einfach eine handelsübliche Digitalkamera, macht ein paar Fotos und lässt sich dann anhand der Bilder von einer Software ein komplettes, dreidimensionales Abbild des fotografierten Objektes erstellen – was sich für den 3D Druck auf jedem gängigen 3D Drucker eignet. Was sich zunächst nach Science-Fiction liest, funktioniert tatsächlich. Und das sogar ziemlich gut! Alternativ zur Digitalkamera eignen sich auch Linienlaser aus dem Baumarkt – oder die Kinect Kamera von Microsoft, die zur Peripherie der X-Box gehört.
Zu den derzeit gängigen Verfahren im Bereich 3D Scannen gehören die Photogrammetrie (auch Photometric genannt), das Lichtschnittverfahren (Triangulation), Arbeiten mit kodiertem Licht und eben der Einsatz der Kinect im Rahmen des Structured Light Verfahrens.

Wie funktioniert die Photogrammetrie?

Für das Verfahren der Photogrammetrie braucht man prinzipiell genau zwei Dinge: eine Digitalkamera und einen Internetanschluss. Mit der Kamera umrundet man das Objekt, was im späteren Verlauf gedruckt werden soll und schießt Fotos aus allen Perspektiven. Die entstandenen Fotos werden anschließend bei spezialisierten Webdiensten wie my3Dscanner.com oder 123D Catch von Autodesk hochgeladen. Die Dienste beginnen nach dem Upload damit, die Bilder zu analysieren und erzeugen ein dreidimensionales Abbild des Objektes. Damit dieser Vorgang funktioniert, müssen die Fotos markante Punkte enthalten – beispielsweise sich auf allen Fotos wiederholende, scharfe Linien oder Hell-Dunkel-Muster. Nur so kann die Software des Dienstleisters erkennen, wo genau sich das fotografierte Objekt im Raum befindet. Während der Erstellung des dreidimensionalen Objektes erzeugt die Software zunächst eine „Punktwolke“ aus den Daten der Bilddateien, verfeinert diese Wolke im Anschluss und generiert schließlich ein digitales Oberflächennetz zwischen den Punkten. Ist die Berechnung des 3D-Objektes fertig – was durchaus einen Tag dauern kann – erhält der User die fertige Datei bequem per Mail.

Wie funktioniert das Lichtschnittverfahren?

Auch beim Lichtschnittverfahren wird eine Digitalkamera benötigt. Jedoch entfällt hier die bequeme Unterstützung durch einen Webdienst, es wird vielmehr zusätzliche Hardware benötigt. Diese Hardware findet sich in jedem Baumarkt in Form eines Linienlasers. Der Linienlaser dient dazu, das zu digitalisierende Objekt scheibchenweise zu markieren, um es dann mit der seitlich platzierten Kamera aufzunehmen. So erreicht man, dass Winkel zwischen Laser, Objekt und Kamera erkenntlich werden – die in Verbindung mit den Verzerrungen der Bildaufnahmen die Triangulierung der Tiefe für jeden Punkt auf der Laserlinie ermöglichen.
Damit ein vollständiges Bild des Objektes generiert werden kann, muss die Laserlinie einmal vollständig über das Objekt geschwenkt werden – und das von allen Seiten. Die entstandenen Einzelbilder müssen dann „nur noch“ mittels entsprechender Software zusammengesetzt werden. Das „nur noch“ haben wir bewusst in Klammern gesetzt, denn tatsächlich stellt der Teil die schwierigste Aufgabe dar. Es müssen hier nämlich manuell sich überlappende Punkte auf den Einzelbildern gefunden und diese dann dem Programm mitgeteilt werden. Erst mit ausreichender Übung gelingen hier zufriedenstellende Ergebnisse!

Wie funktioniert das Arbeiten mit kodiertem Licht?

Das Arbeiten mit kodiertem Licht gehört auch zu den Lichtschnittverfahren, allerdings in optimierter Form. Anstelle eines Linienlasers benötigt man hier einen Beamer zusätzlich zur Digitalkamera – was naturgemäß den Preis für das Equipment in die Höhe treibt. Beim Arbeiten mit kodiertem Licht entspricht jeder Punkt auf der Oberfläche eines Objektes einer Koordinate. Der Beamer wirft nun unterschiedliche Hell-dunkel-Muster streifenförmig auf das Objekt, während die Kamera zeitgleich registriert, ob der aktuell beobachtete Punkt im Hellen oder Dunklen liegt. Für die Verarbeitung wird binärer Code verwendet: Hell entspricht einer 1, Dunkel einer 0. Für die zeitliche Abfolge des Musters wird die Nummer jedes Streifens des Projektors im Grey Code kodiert, wobei die Nummer einer Koordinate im Beamer entspricht. Sobald die Koordinaten von Bild und Beamer generiert sind, lässt sich die Tiefe jedes Punktes am Objekt errechnen. Damit ein vollständiges, dreidimensionales Abbild des Objektes entsteht, muss dieses wie bei den anderen Verfahren auch von mehreren Seiten gescannt und die Scans anschließend über eine Software zusammengefügt werden.

Wie funktioniert der 3D Scan mit Structured Light und der Kinect?

Die Kinect-Kamera von Microsoft wurde ursprünglich für die Bewegungssteuerung der Xbox 360 entwickelt. Der technische Grundaufbau der Kinect macht das Gerät jedoch auch für Anwendungszwecke abseits von Computerspielen interessant – unter anderem auch für das 3D Scannen. Kinect arbeitet mit einem Infrarot-Laser, der kleine, helle und dunkle Punkte (Speckels) in den Raum „zeichnet“. Dabei werden immer mehrere Punkte zu einem Muster zusammengefasst. Durch den Vergleich von gespeicherten Referenzmustern mit dem aufgenommenen Muster errechnet die Kinect dann ein Tiefenbild. Da die Kinect mit einer einzigen Aufnahme die komplette räumliche Tiefe aller Punkte in einem Bild erfassen kann, ist das Verfahren überaus schnell.

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Der Scanaufbau

Jedes der genannten vier Verfahren erfordert einen eigenen, typischen Aufbau von Kamera und Peripheriegeräten. Den Grundaufbau stellen wir Ihnen in Kurzform einmal vor.

Scanaufbau bei der Photogrammetrie

Kamera in die Hand und loslegen – bei der Photogrammetrie ist ein gründlicher Aufbau nicht nötig. Wichtiger ist hier die Art und Weise, wie ein Objekt abfotografiert wird. Beste Ergebnisse erzielt man, wenn das Objekt seitlich umkreist und kontinuierlich abgelichtet wird. Eine Umrundung sollte dabei 30 Bilder oder mehr generieren. Falls es möglich ist, sollte das Objekt dabei einmal seitlich, einmal mit leichter Aufsicht und einmal aus der Froschperspektive aufgenommen werden. Ebenfalls möglich ist die Aufnahme des Objektes als Video und dem anschließenden Export als Bilderserie.

Scanaufbau beim Lichtschnittverfahren

Deutlich aufwändiger kann der Scanaufbau für das Lichtschnittverfahren werden. Für den Schwenk des Lasers über die Oberfläche reichen zwar das manuelle Führen des Lasers und der Einsatz von kostenlosen, selbst ausgedruckten Kalibrierhilfen – wer sich aber professioneller mit dem Verfahren beschäftigen will und entsprechend hochwertige Ergebnisse wünscht, der benötigt neben einem Linienlaser eine Kamera mit mindestens 2 Megapixeln, eine Grundplatte sowie Kalibrierflächen. Noch professioneller und vor allem schneller wird der Scan, wenn der Schwenkvorgang mittels Motor und Steuerelektronik automatisiert wird.

Scanaufbau beim Arbeiten mit kodiertem Licht

Bei dem Verfahren mit kodiertem Licht werden ein Linienprojektor (Beamer) sowie eine Kamera in einem vordefinierten Abstand, der Triangulationsbasis, vom aufzunehmenden Objekt entfernt aufgestellt. Dieser Abstand muss stabil bleiben, auch wenn das Objekt von mehreren Seiten aufgenommen wird.

Scanaufbau beim 3D Scan mit Kinect

Da die Kinect mit einer einzigen Aufnahme der Infrarotkamera die räumliche Tiefe eines Objektes sofort komplett erfasst, ist beim Aufbau nichts Besonderes bis auf einen Mindestabstand zwischen Kinect und Objekt zu beachten.

Die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren

Jedes hier genannte Verfahren im Bereich 3D Scan wartet mit ganz eigenen Vorteilen auf – und bringt natürlich auch Nachteile mit sich. Auf beide Seiten der Medaille werden wir daher stichpunktartig eingehen.

Photogrammetrie – Vorteile

  • Einsteigerfreundlich
  • Vergleichsweise günstig, vor allem bei ersten Versuchen
  • Keine CAD Software oder entsprechende Kenntnisse notwendig.
  • Kein komplizierter Aufbau nötig: Es reicht eine handelsübliche Digitalkamera.
  • Funktioniert gut bei Außenaufnahmen bei bewölktem Himmel.

Photogrammetrie – Nachteile

  • Funktioniert nicht bei direktem Sonnenlicht oder Gegenlicht.
  • Funktioniert nicht mit glänzenden oder spiegelnden Objektoberflächen.
  • Dienstleister benötigen bis zu 24 Stunden, um die 3D Daten bereitzustellen.
  • Außer dem eigentlichen Objekt dürfen keine weiteren Motive auf den Bildern sein, da dies den Algorithmus der Analyse-Software überfordert.
  • Für wirklich gute Ergebnisse ist eine hochwertige Kamera und ein aufwändiger Scan Aufbau nötig.

Lichtschnittverfahren – Vorteile

  • Kommt ohne Webdienst aus
  • Erste Versuche sind sehr kostengünstig mit Material aus dem Baumarkt durchzuführen.
  • Notwendige Software als Freeware verfügbar.
  • Starter-Kits für den semiprofessionellen Einsatz der Technik ebenfalls günstig verfügbar.

Lichtschnittverfahren – Nachteile

  • System muss vor jedem Scan kalibriert werden, was den Aufwand erhöht.
  • Die einzelnen Scans müssen in der Software manuell zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
  • Ungeeignet bei zu viel Umgebungslicht.
  • Funktioniert nur schlecht beim Scannen sehr dunkler Objekte.
  • Genauigkeit des Verfahrens immer abhängig von der Dicke des Laserstrahls.
  • Erfassung von Farben nicht möglich.

Kodiertes Licht – Vorteile

  • Einfachere Handhabung als Lichtschnittverfahren.
  • Scan Geschwindigkeit ist deutlich höher.
  • Sehr präzise Ergebnisse.

Kodiertes Licht – Nachteile

  • Nicht geeignet für den 3D Scan von kleinen Objekten.
  • Ungeeignet bei Fremdlicht.
  • Sehr hoher Einstiegspreis, selbst für Starter-Kits.

Kinect – Vorteile

  • Sehr schnell
  • Eine Aufnahme reicht für die Erfassung der räumlichen Tiefe eines Objektes.
  • Mit nur rund 100 Euro Anschaffungspreis sehr günstig.
  • Kostenlos verfügbare Software für Heimanwender.

Kinect – Nachteile

  • Kommerzielle Anwendungen nur durch Kinect für Windows zugelassen. Diese Kamera kann das Gleiche wie die Xbox Version, kostet aber deutlich mehr.
  • Berechnung der 3D Daten immens speicherhungrig.
  • Reagiert allergisch auf Reflexionen und transparente Objektdetails.
  • Für den Betrieb ist Netzspannung nötig, dies erschwert Außeneinsätze.

Welches Verfahren eignet sich wofür am besten?

Photogrammetrie

Mal eben unterwegs ein paar Fotos machen und kurze Zeit später das fotografierte Objekt als 3D Druck in den Händen halten: Photogrammetrie macht es möglich. Zweifelsohne ist das Verfahren eine einsteigerfreundliche Möglichkeit, Objekte aller Art in druckfähige Daten zu verwandeln. Wer sich nicht groß mit technischen Details auseinandersetzen will, sich nicht für CAD Programme interessiert und einfach nur 3D Drucke erhalten möchte, für den führt derzeit kein Weg an der Photogrammetrie vorbei.

Lichtschnittverfahren

Sich tiefer mit der Materie beschäftigen, dabei keine Unsummen für grundlegende Technik ausgeben und am Ende ein durchaus brauchbares Ergebnis erzielen – das Lichtschnittverfahren ist zwar wesentlich weniger einsteigerfreundlich als die Photogrammetrie, dafür ist man aber auch nicht von externen Dienstleistern abhängig. Insbesondere das Zusammensetzen der einzelnen Bilder in der Software kann ziemlich nervig sein, hier ist definitiv Geduld und eine Menge Übung gefragt, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen.

Kodiertes Licht

Ein hoher Einstiegspreis für die notwendige Hardware sollte nicht abschrecken, wenn man mit dem Verfahren des kodierten Lichts arbeiten will. Dafür ist diese Form des 3D Scannens schnell, zuverlässig und genau. Wer hauptsächlich größere Objekte digitalisieren will und nicht drauf angewiesen ist, dass die Modelloberflächen farbgetreu wiedergegeben werden, kann sich mit der Technik durchaus tiefergehend beschäftigen. Allerdings – und das hat dieses Verfahren mit der Lichtschnitttechnik gemeinsam – setzt man hier auf kein zukunftsträchtiges 3D Scan Verfahren. Dafür ist der Aufwand im Vergleich zur Photogrammetrie oder der Kinect einfach zu hoch.

Kinect

Für gerade mal 100 Euro Anschaffungspreis bekommt man mit der Kinect einen leistungsfähigen 3D Scanner, der vor allem durch seine Schnelligkeit und Flexibilität überzeugt. Eine aktive Open Source Community gewährleistet, dass passende Software für die Verarbeitung und Aufbereitung der gescannten Daten kostenfrei zur Verfügung gestellt wird und vor allem konstant weiterentwickelt wird.

Aber Achtung: Sollen die 3D Scan Daten kommerziell eingesetzt werden, muss hierfür die Windows Variante der Kinect angeschafft werden, die deutlich teurer ist als die Xbox Version. Eine gewisse Affinität und Erfahrung in Sachen CAD, 3D Druck und Bildbearbeitung ist auch bei der Kinect nötig.

Worauf ist beim Kauf von 3D Scannern zu achten?

Das wichtigste bei einem 3D Scanner ist, na klar, die Kamera. Je detaillierter die Bilder, desto einfacher die Aufbereitung der Daten in der Software. Die gute Nachricht: Selbst einfache, moderne Digitalkameras erfüllen hier Ihren Zweck. Möchte man sich bei der Aufbereitung der Daten nicht auf externe Dienstleister verlassen, sondern sich selber mit den entsprechenden Programmen beschäftigen, muss neben der Kamera noch Peripherie-Hardware her.

Laser, Software und Rechenleistung gehen allerdings ganz schön ins Geld, vor allem wenn man hier auf semi-professionelles oder gar Profi-Equipment setzt. Einen guten, bezahlbaren und vor allem extrem flexiblen Weg kann man gehen, wenn man auf die Kinect von Microsoft setzt. Wer gerne an der Konsole spielt, hat wahrscheinlich den 3D Scanner aus dem Hause Microsoft eh schon im Haus. Umfangreiche Open Source Software hilft dabei, Kosten gering zu halten.

Sonderfall Touch Probe Scanning

Die vier bisher erwähnten Verfahren haben eines gemeinsam: Sie arbeiten berührungslos mittels optischer Geräte. Einen anderen Weg geht das 3D Touch Probe Scanning. Hier wird ein Messtaster eingesetzt, der ein Objekt abtastet und so als digitales Modell verfügbar macht. Grundlage für das Verfahren ist neben einem entsprechenden Messtaster (beispielsweise von der Firma Renishaw) eine CNC gesteuerte Maschine mit mindestens drei gesteuerten Achsen. Auf den Tisch der Maschine wird das zu scannende Objekt aufgespannt und folgende Parameter in der CNC Steuerung angepasst:

  • Durchmesser der Messkugel am Messtaster
  • Zwei definierte Punkte im Koordinatensystem der Maschine
  • Richtung des Scans (X oder Y)
  • Nullpunkt

Sind die Eingaben in der Steuerung hinterlegt, beginnt der Scan Vorgang. Die Messkugel wird an das Objekt herangeführt. Durch Verstellen der Z-Achse (Vertikale Achse) wird die Messkugel immer wieder an die Oberfläche des Objektes herangeführt, die Koordinaten gespeichert, darauf hin die X-Achse oder Y-Achse verstellt, ein neuer Punkt vermessen, bis am Ende ein digitales Abbild des Objektes in Form von Koordinaten vorliegt. Aus diesen Koordinaten wird dann das entsprechende dreidimensionale Abbild erstellt.
Im professionellen Umfeld ist das Touch Probe Scanning günstig und wirtschaftlich umsetzbar – vor allem dann, wenn entsprechende Technik eh bereits schon verfügbar ist. Doch auch Heimanwender können sich durch Bausätze entsprechende Maschinen zusammenbauen. Passende Messtaster in ausreichender Qualität sind ab rund 300 Euro verfügbar.

Fazit

Mal eben im Urlaub ein paar Fotos schießen und bei der Rückkehr die fotografierten Sehenswürdigkeiten als kleines Modell im Briefkasten vorfinden – was vor noch gar nicht allzu langer Zeit Fiktion war, ist heute für jedermann machbar. 3D Scannen ist so einfach wie nie zuvor und, mit Verständnis von Technik und Software, auch zuhause durchführbar. Wobei „einfach“ hier ganz eindeutig in Relation gesetzt werden muss, denn wirklich „einfach“, also ohne große Kenntnisse und entsprechende Hard- und Software, durchzuführen ist der 3D Scan noch nicht. Bis zur Anwendung als massentaugliches Verfahren wird noch das ein oder andere Jahr vergehen. Aktuell ist der 3D Scan eindeutig noch eine Sache für Spezialisten und Enthusiasten. Jedes der verfügbaren Verfahren hat dabei seine ganz eigenen Vor- und Nachteile. Fakt ist aber: Dem 3D Scannen und dem 3D Druck von Objekten aller Art gehört die Zukunft. Denn was ist schöner als ein Erinnerungsfoto aus dem Urlaub? Richtig – ein Erinnerungsobjekt zum Anfassen.

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