Fraunhofer IDG

Digital Twins für die Museumswelt

Fraunhofer IDG hat einen den Roboterarm CultArm3D entwickelt. Der 3D-Scanner kann eigenständig digitale Modelle von Kulturgütern herstellen.

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Das autonome 3D-Scansystem CultArm3D GT10 des Fraunhofer IGD erstellt automatisch und sicher hochauflösende 3D-Scans.

Die Fraunhofer IDG hat, in Kooperation mit dem dänischen Kamerahersteller Phase One, den mobilen Scanner CultArm3D entwickelt. Dieser liefert präzise 3D-Modelle von Kulturgütern und Ausstellungsstücken verschiedener Größen. 

Vorteile für Ausstellungen und Forschung

Auch, wenn Museen und Ausstellungsstätten ihre Tore Pandemie-bedingt verschlossen halten müssen, können sie ihre Besucher immerhin zur virtuellen Entdeckungstour einladen. Wie? Mithilfe des CultArm3D. Der Roboterarm verfügt über einen 3D-Scanner, der ein virtuelles Abbild ganzer Sammlungen erstellen kann. Aber nicht nur Museen profitieren von der Neuerung, sondern auch die Wissenschaft. „3D-Modelle haben eine enorme Bedeutung für die Forschung und können helfen, Objekte und ihre Herkunft besser zu verstehen und ihre Eigenschaften zu analysieren. Sie sind aber auch die Grundlage für eine Visualisierung in Virtual- und Augmented Reality und bei der Erstellung farbechter physischer Repliken im 3D-Druckverfahren“, erläutert Pedro Santos, Abteilungsleiter am Fraunhofer Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD. Santos und sein Team arbeiten schon viele Jahre an großformatigen 3D-Scan-Technologien und vor allem die Digitalisierung von Kulturgütern stellt sie dabei immer wieder vor Herausforderungen, da sich die Objekte optisch alle voneinander unterscheiden. Aber gerade bei der 3D-Digitalisierung ganzer Sammlungen ist eine einfache Handhabung des Systems vonnöten. Genauso wie hochqualitative Ergebnisse, denn nur wenn die virtuellen Modelle gut genug sind, können Wissenschaftler sie nach Belieben analysieren und mit Modellen anderer Objekte vergleichen, was unter Umständen fragile Objekte im Original nur bedingt zulassen oder verkraften würden. 

Hochauflösend, farbecht und in 3D

Es gibt zwei Modelle des CultArm3D für Objekte bis zu einer Höhe von einem Meter und einem Gewicht bis 60 kg. Größere und schwerere Objekte können auf Wunsch vom Hersteller ermöglicht werden. Der Scan-Arm ist überall dort einsetzbar, wo ihm eine reguläre Stromversorgung zur Verfügung steht und aufgrund seines geringen Gewichts ist er auch einfach zu transportieren. So können Sammlungen an verschiedenen Standorten gescannt werden. Der CultArm3D ist mit einer Phase One iXG 100 Megapixel-Kamera ausgestattet, sowie den autonomen Scan-Algorithmen des Fraunhofer IGD. Das ganze wird durch speziell entwickelte Ringlichter für eine optimale Ausleuchtung ergänzt. In kürzester Zeit - und vor allem selbstständig - scannt der Roboterarm Objekte aus allen Richtungen und Winkeln ein und erstellt hochqualitative und detaillierte 3D-Darstellungen. Anspruchsvolle Oberflächengeometrien, wie beispielsweise glänzende, reflektierende und metallische Objekte mit komplexen Hinterschneidungen haben nach der Aufmerksamkeit der Fraunhofer IGD-Entwickler verlangt. Beim fertigen Produkt werden sowohl bei der Systemkalibrierung (basierend auf ISO/TS 19264 und VDI/VDE 2634) als auch bei den Objekt-Metadaten und digitalen Modelldaten (basierend auf Europeana Data Model, 3D Task Force und CARARE) alle gängigen Standards und internationalen Empfehlungen eingehalten, was eine wiederholbar hohe Qualität hinsichtlich Geometrie, Texturen und Farbe sicherstellt.

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Einfache Bedienung

Den CultArm3D zu bedienen ist laut Hersteller unkompliziert und kann daher ohne Probleme vom Museumspersonal selbst durchgeführt werden. Während der ersten Einrichtung führt die integrierte Software den Nutzer durch einen einmaligen Kalibrierprozess. Anschließend müssen die Objekte lediglich in die Mitte des inkludierten Drehtellers gestellt und ein Knopf gedrückt werden - schon startet der Scan-Vorgang. Ab dem Zeitpunkt macht der CultArm3D alles allein. Durch Sicherheitsvorkehrungen, wie das automatische Einrasten des Scan-Arms im Falle eines Stromausfalls, muss man dabei auch nicht um die Ausstellungsstücke bangen. 

Automatisierter Workflow

Bei einem raschen Vorab-Scan entsteht ein grundlegendes Verständnis der Form und Größe des Objekts. Während des Scan-Prozesses stellt eine dynamische Ansichtenplanung sicher, dass alle für den Sensor sichtbaren Details des Objekts mit einer minimalen Bildanzahl, scharf und farbecht erfasst werden. Auch reflektierende Materialien und komplizierte geometrische Hinterschneidungen der Oberflächen werden erfasst, was bei Reflexionen den Einsatz von mattierendem Spray überflüssig macht. Bei komplexen Objektgeometrien wird manuelles post-processing der 3D-Modelle minimiert oder meist gänzlich überflüssig. Das finale 3D-Modell kann in verschiedenen Formen ausgegeben werden, beispielsweise als Video in 2D oder 3D, als 3D-Web-Modell, für Virtual- und Augmented Reality Präsentationen oder als Druckdatei für einen 3D-Drucker. Dabei werden alle gängigen 3D-Standardformate und viele weitere Ausgabeformate bedient. 

Anwendungsbeispiele

Museen und Archiven nutzen den Scan-Arm bereits, beispielsweise das Badischen Landesmuseum in Karlsruhe, die Thüringer Landes- und Hochschulbibliothek an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und demnächst auch die Universitäts- und Landesbibliothek Darmstadt. In Karlsruhe können sogar Besucher Scans von Ausstellungsobjekten anfertigen und diese im Anschluss interaktiven Touch-Tischen oder über eine VR-Brille bewundern. Ebenfalls evaluiert und eingesetzt haben ihn The Getty in Los Angeles, REM in Mannheim, die Museumslandschaft Hessen Kassel (MHK) und die Keltenwelt am Glauberg. Interessierte Museen können sich für eine Kooperation direkt an das Fraunhofer IGD wenden. Zusätzlich zur Installation des CultArm3D bekommen alle Mitarbeiter eine Einweisung und Schulung vor Ort. Die fortlaufende Online-Dokumentation ergänzt das Gesamtpaket. Ab 2022 ist ein Vertriebskanal über Phase One geplant.