Ägidiuskirche in Schönfeld

Historisches Erbe trifft auf moderne Technik

3D VermessunG

Team im Einsatz:

martin schaich, Nicolas amanatidis, tuna Çapar, fatih sönmez, melanie nguyen

modellgrundlage

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KAMERA-FOTOS
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DROHNEN-FOTOS
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X-CITOR BEFLIEGUNGSFOTOS
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LASERSCANS
"Rundflug" über St. Ägidius

Vorbemerkung

Für die Bestandsdokumentation, Erforschung und virtuelle Darstellung der kleinen aber besonders sehenswerten romanischen Kirche aus dem 12. Jahrhundert wurden vom Team der 3D-Denkmalpflegespezialisten der ArcTron Firmengruppe (Altenthann) modernste luftgestützte und terrestrische Techniken der digitalen Bauaufnahme und 3D-Modellierung angewandt. Die auf eigene Kosten von der ArcTron 3D realisierten Arbeiten wurden vor allem im Rahmen der  mehrmonatigen Fachpraktika von Melanie Nguyen (Bauforschung) und Fatih Sönmez (Multimedia) mit Unterstützung der verschiedenen Experten der ArcTron 3D  realisiert. Das Projekt entstand wesentlich im Zeitraum April bis September 2020 durch die mit den  Corona-Einschränkungen  entstandene Situation, die für die Betriebspraktika alternative Projektideen notwendig machte. Die Kirche St. Ägidius in Schönfeld ist dabei ein kleines  denkmalpflegerisches Architektur-„Highlight“ in der Nähe des Firmensitzes. Für den Besucher vor Ort ist ein Blick ins Innere normalerweise nicht einfach möglich. Mit dieser digitalen Visualisierung stehen Ihnen nun aber auch St. Ägidius´ Türen „offen“.  Wir danken insbesondere Bürgermeister Herrmann (Altenthann) und Pfarrer Lehnen (Brennberg) für die Erlaubnis die Kirche vor Ort dokumentieren und digital vorstellen zu dürfen. Der „Deutschen Stiftung Denkmalschutz“ mit Herrn Domagala möchten wir besonders für die kurzfristige Aufnahme unseres Projektes in den „virtuellen“ Tag des offenen Denkmals am 13.09.2020 danken!                 

DIGITALE DREIDIMENSIONALE BAUAUFNAHME

Zunächst konnte die Umgebung von Schönfeld mit dem firmeneigenen ultraleichten Gleitschirm-Trike erkundet und Luftaufnahmen für ein Photogrammetrie-Modell der Umgebung gemacht werden. Danach folgten vom Boden aus Drohnenaufnahmen der Kirche aus sehr vielen verschiedenen Perspektiven, als Grundlage für ein Außenmodell. Für die genaue Dokumentation der Gebäudegeometrie wurden mit dem terrestrischen Laserscanner insgesamt 87 Positionen außen und in allen Innenräumen der Kirche aufgenommen. Zusätzlich konnte der Innenraum des Langhauses mit einer Drohne fotografiert werden, um auch z.B. schwerer zugängliche Gewölbebereiche besser dokumentieren zu können. Um die Punktwolken der Laserscans noch um Detail- und Farbinformationen zu erweitern, wurden schließlich alle Innenräume der Kirche mit der „Structure-from-Motion“ Photogrammetrie genau dokumentiert. Bei dieser photogrammetrischen Technik  werden die Räume so fotografiert, dass mit Bildserien aus sehr vielen Perspektiven ein realistisches Modell der Raumgeometrie errechnet werden kann.

Fatih Sönmez beim Fotografieren mit NIKON D850
Tuna Çapar beim Laserscannen (RIEGL VZ400)
Martin Schaich bei der Drohnenbefliegung des Innenraums (DJI P4 Pro V2)
Dachkonstruktion der Kirche, generiert in Reality Capture
3D-Modell der Umgebung aus den Fotos der Befliegung mit Ultraleichtfluggerät

datenverarbeitung UND 3D-MODELLE

Die 87 Laserscans wurden zunächst zu einer mehr als 100 Millionen Messpunkte großen Punktwolke zusammengefügt, welche so die gesamte gescannte Innen- und Außengeometrie der Kirche als ein zusammenhängendes dreidimensionales  Objekt beschreibt. Im nächsten Schritt wurden die Laserscans zusammen mit allen Innen- und Außenfotos der Kirche in das von ArcTron auch angebotene Programm „Reality Capture“ geladen, wo sie zunächst mit Hilfe von Kontrollpunkten (tiepoints)  zu einer großen Punktwolke fusioniert (aligned) wurden. Nach der weiteren Optimierung der Punktwolke wurde aus ihr schließlich ein hochauflösendes Mesh generiert, und dieses nach einem sogenannten „Unwrappen“ (Schneiden in 2D-Flächen) der Oberflächen mit den Fototexturen neu und fororealistisch texturiert. Nach der gleichen Vorgehensweise wurde aus den Umgebungsfotos der Befliegung mit ultraleichtem Gleitschirmtrike ein 3D-Umgebungsmodell des kleinen Weilers Schönfeld erstellt.

Photogrammetrie-Modell von St. Ägidius mit Positionen der Drohnenaufnahmen
Längsschnitt generiert aus der Punktwolke der Laserscans
Grundriss generiert aus der Punktwolke der Laserscans
Innenraum mit Blick auf die Apsis (Photogrammetriemodell)
Innenraum mit Blick auf die Empore (Photogrammetriemodell)

Multimedia

3d-modell der kirche

Team im einsatz:

fatih sönmez, tuna Çapar, melanie nguyen, Nicolas amanatidis, Jannis dittmer,
markley cahn von seelen

Remodellierung (Aussenansicht)
"X-Ray" Modellansicht
Dach "X-Ray" Modellansicht

Modellierung

Um das 3D-Modell für Besucher im Internet leichter und interaktiv zugänglich zu machen und eine bessere Performance zu erzielen, wurde ein reduziertes, sog. „Lowpoly“-Modell erstellt. Somit kann es auch für weitere, zukünftig geplante Projekte in VR (Virtual Reality)- und AR- (Augmented  Reality) Anwendungen oder in Spielen eingesetzt werden. 

Zunächst wurde dafür das mit „Reality Capture“ generierte, sehr hochaufgelöste „HighPoly“-Modell in 3D-Modellierungssoftware importiert, um es dort als niedriger aufgelöstes „LowPoly“-Modell neu aufbauen zu können. Dafür  wurden zunächst Ansichten des ursprünglichen Modells aus verschiedenen Perspektiven so orthogonal angepasst, dass diese exakt nachmodelliert werden konnten. Bei der Remodellierung erarbeitet man zunächst die groben Elemente und dann nach und nach die kleineren Details. So  wurde zunächst die äußere Form der Kirche, bestehend aus Dach mit Dachreiter, Fassade und Eingangstreppe modelliert. In weiteren Schritten wurden die Innenräume Keller, Hauptschiff mit Empore, Dachboden und Innentreppen, mitsamt ihren Objekten remodelliert. Nach der fertigen Rekonstruktion der einzelnen Innenräume, wurden diese zusammengefügt, und schließlich in das Modell der Außenhülle integriert.

Innerer Bereich

UV-Mapping

Für den Texturierungsprozess des neuen Modells wurden von den einzelnen 3D-Objekten sogenannte UV-Maps erstellt, indem die Oberflächen der Objekte mit Hilfsprojektionen in zweidimensionale Flächen geschnitten und auf eine flache Fläche platziert wurden, was als „unwrapping“ (begradigen) bezeichnet wird. Bei diesem Vorgang ist sehr darauf zu achten, dass die Oberflächen so „geunwrapt“ werden, dass die neuen Texturen keine Verzerrungen und Übersprünge auf dem Objekt erzeugen. Die Erstellung von UV-Maps ist für die Material- und Texturzuweisung nach der fertigen Objektmodellierung ein sehr wichtiger Zwischenschritt. Je präziser das UV-Mapping ist, desto besser „sitzt“ die Textur auf dem Objekt und kann der vollen Texturauflösung angenähert werden.

texturierung

Als Textur bezeichnet man die Oberfläche bzw. „Haut“ eines Objektes, deren Qualität und Auflösung den Bildeindruck und die Realitätstreue des dargestellten Objektes entscheidend bestimmt. Gerade bei Denkmal-Objekten sind hochaufgelöste fotorealistische Texturen deshalb von besonderer Bedeutung! Dabei kann eine Oberfläche aus verschiedenen Texturen bestehen, wie beispielsweise Rost- oder Staubflecken auf einer Metall- oder Holzoberfläche, welche das Objekt dadurch realistischer erscheinen lassen. Hauptsächlich unterscheidet man zwischen zwei Texturarten, die beide im Modell von St. Ägidius angewendet wurden: Texturen externer Herkunft und sog. „gebackene“ Texturen, die aus dem ursprünglichen Photogrammetrie-Modell übernommen werden. Außerdem gibt es noch „Hilfstexturen“, sogenannte „Maps“, die mit den beiden Haupttexturarten kombiniert werden können, beispielsweise um einen Tiefeneindruck auf einer geraden Modelloberfläche zu erzeugen. So eine „Map“ kann mithilfe von Tiefeninformationen generiert werden, welche entweder bereits in den Scans enthalten sind, oder mithilfe einer Bildbearbeitungssoftware erzeugt werden.

St._Aegidius_UV_Diffuse
Gebackene Textur von Innen
Gebackene Normal-Map der Gegenstände mit UVs
Gebackene Textur der Gegenstände mit UVs

Materialzuweisung und pbr

Mithilfe von sog. „PBR“- (physically based rendering) Materialien kann die Textur sich bei Lichteinfall bspw. wie Metall, Holz, Plastik, Glas, Stein etc. verhalten. Außerdem können auf einem Objekt auch mehrere Materialien vorkommen, welche nach den entsprechenden Einstellungen unterschiedlich auf Lichteinfall reagieren können. Diverse 3D-Plattformen und Spiele-„Engines“  ermöglichen es zudem „Hilfstexturen“ wie Normalmaps mit der Textur zu kombinieren um diese der Realität oder dem gewünschten Look anzunähern.

Besuchen Sie doch einfach unser interaktives 3D-Modell, für eine kleine fotorealistische „Reise“ um das Bauwerk und einen Besuch des sonst nicht zugänglichen Innenraums!  

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