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Die vorliegende Beschreibung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Texturierung von digitalen, dreidimensional gescannten Objekten sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Aufgrund der technischen Entwicklungen in Bezug auf die möglichst realitätsgetreue Darstellung von Objekten im Bereich der Unterhaltung, der Schulung, der Präsentation und Werbung, der Forschung und Untersuchung sowie der industriellen Produktion, das heißt im Bereich der „virtual reality” und der „augmented reality”, besteht die Notwendigkeit reale Objekte für die weitere Verarbeitung und Präsentation derart zu digitalisieren, dass diese Objekte dreidimensional dargestellt werden können. Um eine texturierte dreidimensionale Darstellung zu generieren, muss in der Regel ein dreidimensionales Modell des Objektes/Produktes in digitaler Form mit einem 3D Scanverfahren, erzeugt werden. Das 3D Scannen und Digitalisieren von Objekten ist durch und mit optischen Messverfahren möglich. Die, durch Messgeräten und Systemen erfassten dreidimensionalen Objekte, sollen zur optischen „real 3D” Darstellung mithilfe eines Digitalkamerasystems mit der originalen Textur versehen werden, um eine lebensechte Darstellung zu generieren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine automatisierte Texturzuweisung von digitalem Bildmaterial aus Digitalkameras mit den vorliegenden Punktwolken und Drahtgittermodellen der, ausschließlich mit passiven und aktiven Mess- und Erfassungsverfahren, gescannten, modellierten, konstruierten und digitalisierten, dreidimensionalen Objekten, zu ermöglichen, um einen virtuellen dreidimensionalen Gegenstand mit „echt Textur” zu erzeugen. Die Modelle der, mit diesem erfindungsgemäßem Verfahren, erzeugten virtuellen, dreidimensionalen Gegenstände bestehen aus unterschiedlichen geometrischen Grundkomponenten, Komponenten aus dem OpenGL.
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Die Art des Ursprungs der erzeugten, virtuellen 3D Objekte ist für dieses Verfahren unabhängig, so können 3D Scanverfahren wie „Photogrammmetrie”, das „Lichtschnittverfahren”, „kodiertes Licht” und „Structured Light Streifenlichtschnitt, Silhouettenschnitt, Laserscanning, Tachymetrie, sowie Ultraschall- und Infrarotmessung zur Erfassung der Geometrie als Punktwolke sowie Drahtgitter und Flatmodell mit der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden. Somit ist es möglich lebensechten Content dreidimensional mit „echt Textur” auf z. B. Laptops, Smartphones, Monitoren, Fernsehern und Beamern, sowie anderen Anzeige-, Projektions-, oder Darstellungsgeräten darzustellen, diese können ebenfalls mit 3D Modelling Programmen bearbeitet werden.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass digitale, dreidimensional eingescannte Objekte nun automatisch mit originalen Fotoinformationen texturiert werden können um daraus virtuelle dreidimensionale Gegenstände mit „echt Textur” zu erzeugen. Die Texturierung der digitalisierten Drahtgittermodelle bzw. Punktwolken erfolgt automatisch durch die Berechnung der Geometriekoordinaten des 3D gescannten Objektes in Verbindung mit der digital berechneten Texturzuweisung der originalen Fototextur, was wiederum die Wirtschaftlichkeit bei der Erzeugung von 3D Objekten verbessert, sowie für den Online-/Offline Handel eine originalgetreue 3D Kopie des Produktes zur Verfügung zu stellen.
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Beispielhafte automatisierte Texturierung
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Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Texturierung von digitalen, dreidimensionalen eingescannten Objekten mit folgenden Schritten:
- – bereitstellen einer Erfassungseinrichtung z. B. Scansystems zur dreidimensionalen Erfassung von realen Objekten, für die digitale, dreidimensionale Erfassung des Objekts und der Bereitstellung der aufgenommenen Texturen des Objekts Die Erfassungseinrichtung kann z. B. ein Scansystem sein, es können aber mannigfache Alternativsysteme verwendet werden. Im Folgenden werden einige exemplarisch ausgewählte Scanverfahren erläutert um somit deutlich auf zu zeigen, dass für diese Erfindung ein Erfassungssystem egal welcher Art eine Voraussetzung ist.
- – bereitstellen von digitalen, dreidimensionalen Objekten, Modellen bzw. Punktwolken oder Drahtgittermodelle, in einem bekannten 3D Format, sowie digitale Texturdaten aus und von Fotokameras.
- – bereitstellen eines Computer- bzw. Rechnersystems als Plattform des Computerprogrammprodukts zur automatisierten Texturierung von digitalen, dreidimensionalen Objekten
- – Aktivierung des Programms startet den automatischen Erkennungsprozess der vorliegenden 3D Daten sowie der digitalisierten Textur.
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Die Bausteine der Erfindung analysieren und berechnen die Bilder der Digitalkameras aus den unterschiedlichen 3D Scanverfahren, welche ein räumliches Abbild der Szene erzeugt haben.
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Dazu wird z. B. im 3D Scanverfahren Beispiel 1:
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„Streifenlicherkennung” auf den Bildern nach charakteristischen Strukturen gesucht („Features”) beispielsweise nach scharfen Kanten wie an Hausecken oder nach Hell-Dunkel-Mustern, wie sie die Felgen eines Autos zeigen, damit die Software abschätzen kann, wo sie im Raum liegen. Bei erfolgreicher „Feature Extraction” der Erfindung, ergeben sich daraus Koordinaten und somit exakte Messpunkte über die Orte, von denen die Fotos geschossen wurden. Dabei greift die Software ggf. auch auf EXIF-Daten wie die Brennweite der Kamera zurück.
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Das berechnete 3D Objekt, sowie die ermittelten Kamerapositionen werden durch die Erfindung berechnet und über die Koordinaten miteinander verknüpft. Jeder Pixel eines vom 3D Scanverfahren erzeugtem digitalen Bildes hat durch die Erfindung direkt eine, durch Koordinatenberechnung, zugeordnete von Textur zu den jeweiligen Koordinaten der Punkte eines 3D Drahtgitters des 3D Objektes, siehe 4.
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Der Export des 3D Modells ist nach der Berechnung in bekannten 3D Formaten, unter anderem als OBJ-Datei, die mit den berechneten Texturen aus den Fotos belegt ist (UV-Map) möglich.
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Scanverfahren Beispiel 2:
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Mittels Tiefensensor (8), die Infrarot-Kamera empfängt die Strahlen, welche von dem Infrarot-Projektor ausgestrahlt und an den Oberflächen reflektiert werden. Gemeinsam bilden die Kameras einen VGA-Stream, welcher neben der benötigten Textur nun auch die Tiefeninformationen enthält. Dies nennt man RGBD (D: depth). Durch die Nebeneinanderanordnung der beiden Kameras und der verschiedenen Linsenbreiten und Linsendicken entstehen jedoch verschiedene Bilder, welche man nicht einfach übereinanderlegen kann. Darum ist eine Kalibrierung der Scansysteme nötig, sowie daraus resultierend die Eigenschaften Koordinatenberechnung von Textur zu 3D Modell der Erfindung.
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Mit Hilfe von Kalibrierungsmustern/-markern erfolgt das Einscannen realer Objekte. In 6 sind unterschiedliche Kalibriermuster gezeigt.
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Das Kalibriermuster 1 ist eine Unterlage- bzw. Erkennungsmakierung, mit dessen Hilfe Objekte in ausreichender Genauigkeit gescannt werden können. Dies wird durch die optimale quadratische Kalibriermarker-Anordnung in den Ecken des Kalibriermusters ermöglicht, mit welchem eine einwandfreie Kalibrierung durchgeführt werden kann.
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Außerdem gibt es noch ein optionales Drehtellersystem, Beispiel siehe 7. Durch Benutzung dieses Systems, verändert sich die Belichtung des Objektes während des Scannens nicht, was ein besseres Ergebnis zur Folge hat.
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Ein weiteres Hilfsmittel für den Scanvorgang ist das Kalibrierpattern. Bei fest installierten oder sehr schweren Objekten ist es oft nicht möglich, ein Kalibriermuster zu nutzen, dennoch werden die Marker für die Kamerafindung innerhalb des 3D-Raumes benötigt, welche bestimmten Positionierungsvoraussetzungen unterliegen. Durch die Nutzung des Rahmens kann man diese Marker dennoch perfekt platzieren, um sehr gute Scanergebnisse zu erzielen.
- – Es folgt die Zuordnung bzw. Verschmelzung der erkannten 2D-, bzw. 3D-Daten mit den positionsangebenden UV-Koordinaten zu 3D-, bzw. 4D-Daten im Raum Das 3D Objekt, sowie die ermittelten Kamerapositionen werden durch die Erfindung berechnet und über die Positions-Koordinaten miteinander verknüpft, jeder Pixel eines vom 3D Scanverfahren erzeugtem digitalen Bildes durch eine Digitalkamera hat durch die Erfindung direkt eine, durch Koordinatenberechnung, Zuordnung von Textur zu den Koordinaten der Punkte eines 3D Drahtgitters des 3D Objektes.
- – Dadurch erfolgt die Erzeugung von einem, vielen oder unendlich vielen fertig texturierten, mehrdimensionalen, virtuellen Objekten der Modelle, wobei keine Informationen der Textur oder des Materials verloren gehen, somit ist es möglich lebensechten digitalen Content dreidimensional mit „echt Textur” zu erzeugen.
- – Diese Objekte werden mit einer Individualbezeichnung versehen bzw. wird die vorliegende Individualbezeichnung benutzt, und können als Bild oder Bildkette in allen gängigen Formaten ausgegeben werden.
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Vorteilhafterweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und Computerprogrammprodukt zur automatisierten Texturierung bereitgestellte digitale, dreidimensionale Objekte, Modelle bzw. Punktwolken oder Drahtgittermodelle, aus einem Speicherort wie z. B. Scansystem, Erzeugungsgerät oder anderer Datenquelle wie z. B. einem Speicher oder Speichervolumen wie z. B. Festplatte, USB-Stick oder Datenbank, automatisch eingelesen bzw. erkannt und falls notwendig, d. h. noch nicht geschehen, mit einer Individualbezeichnung versehen.
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Die Neuheit der Erfindung besteht darin, dass durch die anschließende Verknüpfung mit positionsangebenden UV-Koordinaten zu 3D- bzw. 4D-Daten in einem Raum entstehen, welche automatisch mit Texturen aus einer vorher erzeugten Datenbank zugewiesen bekommen, indem die Texturkoordinaten den jeweils passenden Polygonkoordinaten des Drahtgittermodells zugewiesen werden.
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Insbesondere zu beachten ist, dass hierbei keine Informationen der Textur oder des Materials verloren gehen. Mit diesem Verfahren ist es möglich in kurzer Zeit eine Vielzahl, oder unendlich viele 3D-Objekte mit echter Textur zu erzeugen.
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Bei dieser Erfindung ist insbesondere besonders, dass durch die automatisierte Erweiterung der Texturen (Material, Farbe, Oberfläche) die erzeugten 3D-Objekte ein originalgetreues Oberflächendesign erhalten, welches besonders schnell, effizient und dadurch kostengünstig erzeugt wird und somit die Wirtschaftlichkeit des Prozesses steigert.
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Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird in den gezeigten Figuren die schematische Arbeitsweise des Verfahrens und des Computerprogrammprodukts zur automatisierten Texturierung von digitalen, dreidimensionalen Objekten veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines Drahtgittermodells einer dreidimensionalen Digitalkamera
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2 die Vergrößerung eines exemplarisch gewählten und rot eingefärbten Polygons des Drahtgittermodells
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3 eine Veranschaulichung der Zuweisung der Texturkoordinaten zu den Polygonkoordinaten, an Hand eines exemplarisch gewählten und rot eingefärbten Polygons des Drahtgittermodells
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4 ein fertig texturiertes 3D-Objekt einer Digitalkamera
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5 die Zuordnung der Textur eines 3D Objektes durch Streifenlichtscanner
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6 verschiedene Kalibrierungsmuster und -marker
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7 einen Scanteller zur dreidimensionalen Erfassung von realen Objekten
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8 den schematischen Aufbau eines Tiefensensors
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Die 1 zeigt eine Darstellung eines Drahtgittermodells (5) einer dreidimensionalen Digitalkamera. Das Drahtgittermodell besteht aus einzelnen Polygonen (6), Dreiecken, und stellt somit den Körper eines realen Objekts als digitales Modell nach.
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Die 2 zeigt die Vergrößerung eines exemplarisch ausgewählten und rot eingefärbten Polygons des Drahtgittermodells. Es ist deutlich zu erkennen, dass dies Dreieck ein Teil des gesamten digitalen Modells ist.
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Die 3 soll die Zuweisung der Texturkoordinaten zu den Polygonkoordinaten veranschaulichen. Die drei Koordinatenpunkte des jeweiligen Polygons und des dazugehörigen Texturbereichs werden passend zugewiesen. Dadurch entsteht aus dem Drahtgittermodell nach und nach ein dreidimensionales digitales Objekt.
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Die 4 zeigt ein fertig texturiertes 3D-Objekt einer Digitalkamera. Es ist zu erkennen, dass bei dem fertig erstellten 3D-Objekt keine Informationen der Textur oder des Materials verloren gegangen sind.
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Die 5 soll die Zuordnung der Textur eines 3D Objektes verdeutlichen. Mit „Streifenlichtscanning” kann eine Kamera sowohl die Bild- als auch die Projektionskoordinaten für einen Punkt auf einem Objekt erfassen.
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Die 6 zeigt verschiedene Kalibrierungsmuster und Kalibrierungsmarker mit denen ein reales Objekt in ausreichender Genauigkeit gescannt werden kann.
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Die 7 zeigt einen Scanteller zur dreidimensionalen Erfassung von realen Objekten. Dieser ist drehbar und der blaue Hintergrund „Blue Screen” ermöglicht eine einfache Freistellung der gescannten Objekte.
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Die 8 zeigt den schematischen Aufbau eines Tiefensensors welcher z. B. zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten verwendet werden kann. Die Infrarot-Kamera empfängt die Strahlen, welche von dem Infrarot-Projektor ausgestrahlt und an der Objektoberfläche reflektiert werden. Gemeinsam bilden die Kameras einen VGA-Stream, welcher neben der benötigten Textur nun auch die Tiefeninformationen enthält, dies nennt man RGBD (D: depth).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Darstellung eines Drahtgittermodells einer dreidimensionalen Digitalkamera
- 2
- Vergrößerung eines exemplarisch gewählten und rot eingefärbten Polygons
- 3
- Veranschaulichung der Zuweisung der Texturkoordinaten zu den Polygonkoordinaten
- 4
- Fertig texturiertes 3D-Objekt einer Digitalkamera
- 5
- Drahtgittermodell (weiß)
- 6
- Exemplarisch ausgewähltes Polygon (rot)
