„Aus Fotos wird ein Raum, den man betreten kann.“
Das Prinzip hinter jedem unserer virtuellen Rundgänge
Photogrammetrie ist ein Verfahren, bei dem aus vielen Fotos eines Objekts oder Raums ein dreidimensionales Modell berechnet wird. Kein Nachbau, sondern eine Messung.
Das Prinzip ist über hundert Jahre alt und stammt aus der Landvermessung. Neu ist, dass ein Rechner heute in Stunden erledigt, wofür früher Spezialgeräte und Wochen nötig waren. Für uns ist Photogrammetrie das Werkzeug, mit dem reale Orte in Virtual Reality glaubwürdig werden: das Blauhöhlensystem unter der Schwäbischen Alb, die Bühnenmaschinerie im Residenzschloss Ludwigsburg, die Bibliothek der Kurfürstin in Mannheim, Räume des Pergamonmuseums.
Wie Photogrammetrie funktioniert
Die Software sucht in allen Fotos nach markanten Punkten, etwa einer Kante am Stuck oder einem Fleck auf dem Boden, und erkennt dieselben Punkte in anderen Bildern wieder. Weil sie weiß, wie sich diese Punkte von Bild zu Bild verschieben, kann sie zurückrechnen, wo jede Kamera stand und wo jeder Punkt im Raum liegt. Das ist dasselbe Prinzip, mit dem unsere Augen Tiefe sehen, nur mit hunderten Augen statt zweien.
Das Ergebnis ist zuerst eine Punktwolke: Millionen einzelner Punkte mit Position und Farbe. Daraus wird ein Netz aus Dreiecken, das Mesh, das die Oberfläche beschreibt. Zum Schluss werden die Originalfotos als Textur auf dieses Netz projiziert. Erst dann sieht das Modell aus wie der Raum, und erst dann kann man es in einer VR-Brille oder im Browser betreten.
Dokument statt Interpretation: der eigentliche Wert der Photogrammetrie
Ein Raum lässt sich auch von Hand in 3D nachbauen. Ein Grundriss, ein paar Fotos, Erfahrung, und nach einigen Wochen steht ein Modell, das dem Original ähnelt. Genau das ist der Punkt: Es ähnelt ihm. Jede Proportion, jede Farbe, jede Gebrauchsspur ist eine Entscheidung, die jemand getroffen hat, meist nach bestem Wissen und trotzdem subjektiv. Wer den echten Raum kennt, sieht den Unterschied sofort, kann ihn aber selten benennen.
Photogrammetrie trifft diese Entscheidungen nicht. Sie misst, was da ist. Die durchgetretene Stufe ist genau so durchgetreten, der Riss im Stuck verläuft genau dort, die Wand ist nicht gerade, weil sie nie gerade war. Das Modell ist damit kein Entwurf, sondern ein Dokument: ein Abbild des Zustands an dem Tag, an dem fotografiert wurde, mit Referenzmaßen überprüfbar und im Zweifel gegen die Originalfotos nachvollziehbar. Für Denkmalpflege, Forschung und Sammlungsverwaltung ist das der entscheidende Unterschied, denn ein Nachbau lässt sich nicht als Beleg heranziehen, eine Messung schon.
Praktisch wird das immer dann, wenn sich etwas verändert. Vor einer Sanierung erfasst, hält das Modell den Vorzustand fest, auch Jahre später und auch dann, wenn niemand mehr weiß, wie es vorher aussah. Und wo doch interpretiert werden muss, etwa bei der Rekonstruktion eines historischen Zustands, bleibt der Unterschied sichtbar: In Mannheim liegt die rekonstruierte Ausstattung von 1755 über dem gemessenen Raum. Was belegt ist und was erschlossen wurde, lässt sich dadurch sauber trennen.
Was gute Photogrammetrie-Aufnahmen brauchen
Überlappung ist alles. Jeder Punkt muss auf mindestens drei Fotos zu sehen sein, besser auf fünf. Die Kamera wandert deshalb in kleinen Schritten seitlich weiter, mit etwa einem Drittel Versatz zwischen zwei Bildern. Ein Raum von der Größe eines Wohnzimmers braucht so schnell 500 bis 1.000 Aufnahmen, ein Schlosssaal mit Stuck und Deckengemälde ein Vielfaches.
Das Licht sollte gleichmäßig und ohne harte Schatten sein, weil Schatten sonst als Teil der Oberfläche mitgerechnet werden. Ein Raum, den wir vormittags bei Sonnenlicht fotografieren und nachmittags bei Wolken, ergibt zwei verschiedene Räume. Deshalb arbeiten wir mit eigener Beleuchtung und, wo es geht, außerhalb der Öffnungszeiten. Und die Oberfläche braucht Struktur: Ein weißer Putz oder eine spiegelnde Vitrine gibt der Software keine Anhaltspunkte, ein alter Holzboden dagegen tausende.
Wo Photogrammetrie an Grenzen stößt
Glas, Wasser, Metall und alles, was sich bewegt, sind schwierig. Spiegelungen wandern mit der Kamera und verwirren die Berechnung, transparente Flächen werden schlicht nicht gesehen. Sehr feine Strukturen wie Blätter, Haare oder Spitzengardinen brauchen extrem viele Bilder und werden trotzdem oft unsauber. In solchen Fällen ergänzen wir das gemessene Modell von Hand.
Die zweite Grenze ist die Datenmenge. Rohmodelle haben hunderte Millionen Dreiecke, weit mehr, als eine VR-Brille darstellen kann, die jedes Bild zweimal und neunzig Mal pro Sekunde berechnen muss. Der eigentliche Handwerksanteil liegt deshalb in der Nachbearbeitung: Modelle reduzieren, ohne dass Formen leiden, Texturen neu zusammensetzen, Lücken schließen, wo die Kamera nicht hinkam.
Photogrammetrie-Projekt: vom Aufnahmeplan zur VR-Brille
Vor der ersten Aufnahme steht ein Plan: Welche Räume, in welcher Detailtiefe, mit welchem Licht, in welchem Zeitfenster. Wir gehen die Räume vorher ab und markieren, wo Spiegelungen, Glas oder bewegliche Objekte Probleme machen werden. Die Aufnahme selbst ist dann Routine, wenn der Plan stimmt, und ein Albtraum, wenn er fehlt. Berechnung und Reduktion laufen im Studio und brauchen Rechenzeit, die sich nicht abkürzen lässt. Erst am Ende entscheidet sich, ob aus dem Modell ein Rundgang, eine VR-Erzählung oder beides wird; die Daten sind für alle drei geeignet.
Photogrammetrie oder Laserscan?
Laserscanner messen Entfernungen direkt und sind bei großen Gebäuden und glatten Flächen genauer. Photogrammetrie liefert dafür Farbe und Oberfläche gleich mit und ist deutlich günstiger in der Ausrüstung. Für die Denkmalpflege zählt oft der Millimeter, für die Vermittlung zählt, dass der Raum aussieht wie der Raum. Bei großen Projekten kombinieren wir beides: der Scanner für die Maße, die Kamera für das Aussehen.
Wofür Museen, Schlösser und Marken Photogrammetrie nutzen
Kulturhäuser sichern damit den Zustand von Räumen, die saniert werden, und öffnen sie gleichzeitig virtuell. Archäologie und Denkmalpflege dokumentieren Grabungen und Fassaden. Marken digitalisieren Produkte für Konfiguratoren und Augmented Reality. Und in Games ersetzt Photogrammetrie das Modellieren von Hand, wo Realismus gefragt ist. Vier Beispiele aus unserer Arbeit zeigen, wie unterschiedlich die Bedingungen sein können.
Blautopf VR: 10.000 Fotos in völliger Dunkelheit
Das Blauhöhlensystem erreichen nur Forschungstaucher. Für die VR-Anwendung sind dort über 10.000 Aufnahmen entstanden, unter Bedingungen, die Photogrammetrie eigentlich ausschließen: kein Tageslicht, nasse und spiegelnde Flächen, kaum Platz für Stative. Jede Fläche wurde mit mobilen Leuchten gleichmäßig ausgeleuchtet und aus mehreren Winkeln fotografiert. Das Ergebnis brachte den Deutschen Entwicklerpreis in der Kategorie Innovation. Wie die Aufnahmen im Detail abliefen, steht im Making-of. Mehr zum Projekt.
Residenzschloss Ludwigsburg: ein Theater, das sich bewegt
Für das Mitternachtstheater haben wir an fünf Drehtagen die Räume der Dienerschaft und das Schlosstheater erfasst. Die Besonderheit war die originale Bühnenmaschinerie aus dem 18. Jahrhundert: Sie sollte sich in VR bewegen lassen. Dafür mussten Kulissen, Züge und Wellen einzeln aufgenommen und als getrennte Objekte rekonstruiert werden, damit sie später animiert werden konnten. Mehr zum Projekt.
Schloss Mannheim: ein Raum, zurückversetzt ins Jahr 1755
Das Bibliothekskabinett der Kurfürstin Elisabeth Auguste ist der Öffentlichkeit verschlossen. Wir haben es mit tausenden präzise ausgeleuchteten Fotos erfasst, bis in den Deckenstuck und die geschnitzten Paneele. Die Herausforderung lag danach: Der Raum sollte nicht so aussehen wie heute, sondern wie zu Lebzeiten der Kurfürstin. Tapeten, Farben und Einrichtung wurden auf Basis historischer Quellen über das gemessene Modell gelegt. Mehr zum Projekt.
Pergamonmuseum: begehbar im Browser, während das Haus geschlossen ist
Räume des Pergamonmuseums sind wegen der Sanierung für Jahre nicht zugänglich. Mit babylon-reloaded haben wir sie photogrammetrisch erfasst und als frei begehbaren 3D-Rundgang aufbereitet, der auf dem Smartphone und am Desktop läuft. Die Besonderheit lag in der Reduktion: Dasselbe Modell muss auf einem Mobiltelefon in wenigen Sekunden laden und trotzdem die Detailtiefe der Exponate bewahren. Die Lösung sind mehrere Detailstufen, die je nach Gerät und Entfernung nachgeladen werden. Mehr zum Projekt.
Einen Überblick, welche Form der virtuellen Tour zu welchem Haus passt, gibt der Beitrag Virtueller Rundgang für Museen und Schlösser.
