Dossier 3

Jan-Ruben Fischer

Digitale Photogrammetrie an den

Schlusssteinen des Berner Münsters

Neue Perspektiven für Denkmalpflege und Inventarisation In den Jahren 2014–2017 wurden die Netzgewölbeschlusssteine des Berner Münsters mittels der 3D-Objekterfassungsmethode der digitalen Photogrammetrie aufgenommen.

Diese Technologie verspricht revolutionäres Potential hinsichtlich der Dokumentation von Architektur und Bildplastik.

Die Netzgewölbeschlusssteine im Chor des deutlich höhe re Qualität der auf das 3DModell Berner Münsters sind kunst und baugeschicht aufgebrachten Farbtexturen erzielt werden.

lich einzigartig, dennoch konnte bislang keine Bei der Aufnahme komplexer Objekte ist umfassende konservatorische Oberflächenerfas es generell eine besondere Herausforderung, sung durchgeführt werden. Durch die Anfertischlecht zugängliche Bereiche, wie z.B. überlapgung von Gipsabdrücken zu Beginn des 20. Jahr pende Falten oder Durchbrüche, möglichst komhunderts wurden vielmehr irreversible Schäden plett zu erfassen. Zwischen Deckengewöl be und an den Farb und Materialauflagen einzelner Schlussstein war für den Zwischenraum der Pro Schlusssteine hinterlassen. Ziel für eine zeitge blemstellen, die sogenannten «Hinterschneidunrechte und nachhaltige Bestandsaufnahme war gen» oder «Verschattungen», manchmal kaum daher, die Farb und Oberflächenerfassung so mehr als eine Handbreit Platz. Auch bei der Lödurchzuführen, dass keine weiteren Eingriffe sung dieser Schwierigkeiten konnte die Photodie wertvollen Originale beschädigen würden. grammetrie jenen Stellen noch beikommen, die Am Ende sollte ein zur Langzeitarchivierung und per Laserscanning technisch nicht mehr erreichweiteren Verarbeitung geeigneter digitaler Gips bar waren. Hier kommt vor allem die Flexi bilität abdruck stehen. Für eine detaillierte räumliche der PhotogrammetrieMethode zum Tragen, mit Objekterfassung haben sich hierfür besonders der adaptiv mit unterschiedlichen Kamerasyszwei moderne Aufnahmeverfahren angeboten: das temen derartige Stellen noch erreicht werden Laserscanning  und die digitale Photogrammetrie.

können. Grössere Laserscanner sind zu sperrig, kleinere Laserscanner können durch ihren limi

Auswahl der Erfassungsmethode

tierenden Distanzbereich nicht den erforderli

Um für die anstehende 3DAufnahme der chen Mindestabstand einhalten. Ergänzend lässt Schlusssteine die adäquate Erfassungsmethode sich festhalten, dass im Vergleich zu einem herzu ermitteln, wurden im Jahr 2014 Vergleichs kömmlichen Gipsabdruck beide berührungsloauf nahmen veranlasst. Hierfür wurden insbesen Methoden auf alle Fälle schonender und wirtson dere das 3D-Laserscanning und die digitale schaftlicher sind. Es entfallen die Behandlung des Pho to grammetrie als moderne berührungslose Auf Originals mit Trennmitteln und eine mögliche nahmeverfahren miteinander verglichen. Unter Beschädigung beim Abnehmen des Negativs.

den schwierigen Bedingungen vor Ort und den Aufgrund dieser für das geforderte Aufnahdamit verbundenen Problemen zeigte sich die meszenario ermittelten Vorteile aus den Ver PhotogrammetrieMethode hinsichtlich der kom gleichsaufnahmen fiel die Wahl der am besten geplexen Herausforderungen in vielen Punkten fleeigneten Erfassungsmethode für die Aufnahme xibler als die lasergestützte Erfassung. So gelang der Schlusssteine letztendlich auf die Methode ❯❯

es der digitalen  Photogrammetrie, die feinen geo der digitalen Photogrammetrie.

Photogrammetrische

metrischen Oberflächendetails im Ergebnis dif

Aufnahmen der Schlusssteine im Berner

ferenzierter und umfassender wiederzugeben als Photogrammetrie Münster. Abgebildet ist

die vergleichende Bestandsaufnahme durch das Das Verfahren der Photo grammetrie ist fast so die Aufnahme des David.

Laserscanning. Da das Verfahren auf zahlreichen alt wie die Foto grafie selbst und wurde grundle © Jan-Ruben Fischer

hochauflösen den Fotos beruht, konnte auch eine gend bereits im 19. Jahrhundert entwickelt. Es be26 k+a 2/2017

a+a 2/2017 27

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1 Sämtliche berechnete

Kamerapositionen aus

der photogrammetrischen

Aufnahme des David

mit der 3D-Punktwolke

im Hintergrund.

© Jan-Ruben Fischer

2 Die Photogrammetrie Punktwolke des Achatius

ist so dicht, dass die

Punkte wie eine geschlos-

sene Oberfläche erschei-

nen. © Jan-Ruben Fischer

3 Erst durch über massstäbliches Ver 1

2

grössern offenbart

sich der Punkt charakter

der Punkt wolke.

© Jan-Ruben Fischer

4 Die Dreiecksvermaschung des Achatius ohne Farbtextur als geschlossene 3D-Oberfläche 3

4

schreibt prinzipiell das Messen aus Fotos und die Zeit aufwand verbunden. Darüber hinaus werden daraus resultierende Möglichkeit, die räumliche in der Regel keine Hinterschneidungen erfasst, da Lage und Geometrie eines Objekts aus einem oder nur mit verhältnismässig wenigen Grundlagenfomehreren Fotos rückwirkend bestimmen zu kön tos gearbeitet werden kann. Als Konsequenz wird nen. Im letzten Jahrhundert wurde auf dieser Ba daraus ein projektiver Vektorplan entwickelt.

sis die sogenannte analytische Photogrammetrie als sehr präzise Dokumentationsmethode entwi

Digitale Photogrammetrie

ckelt. Sie wird als Spezialdisziplin in der Denkmal Um den Begriff von der analytischen Photopflege bis heute erfolgreich eingesetzt. Während grammetrie abzugrenzen, soll der Begriff Digitale hier bereits die zugrundeliegende Ermittlung der Photogrammetrie eingeführt werden. Er steht für Bild und Objektkoordinaten mittels digitaler Reeinen essentiellen und intensiven computerunchenverfahren durchgeführt wird, werden zu do terstützten Einsatz, um auf Grundlage der photokumentierende Merkmale trotzdem noch manuell grammetrischen Aufnahmen eine komplette, durch einen Operateur räumlich interpretiert und hochaufgelöste 3DOberfläche zu erzeugen. Das gewöhnlich in eine projektive Vektorzeichnung ist auch deswegen notwendig, da die erhebliche extrahiert. Auch wenn es technisch prinzipiell Digitalisierung der Arbeitsprozesse gänzlich neue möglich wäre, jeden einzelnen sichtbaren Oberflä Produkte und Einsatzmöglichkeiten schafft, die chenpunkt zu bestimmen und interpretativ zu ex mit der analytischen Photogrammetrie in dieser trahieren, wäre das mit einem unwirtschaftlichen Art nicht realisierbar wären.

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Der Vergleich der Originalfotografie mit dem texturierten 3D-Modell am Beispiel des Achatius.

© Jan-Ruben Fischer

3DDruck im Massstab 1:1

aus der photogrammetri-

schen Erfassung am

Beispiel des Achatius.

© Jan-Ruben Fischer

Die digitale Photogrammetrie basiert ebenfalls auf denselben Grundprinzipien wie die analytische Photogrammetrie. Gleichwohl wird hier keine manuell interpretative Merkmalsextraktion durchgeführt, stattdessen findet eine rein digitale Mustererkennung statt. Ein Algorithmus analysiert die aus unterschiedlichen Blickwinkeln gemachten Fotos und identifiziert auf diesen identische Muster. Diese Informationen gestatten es nun, die ursprünglichen Kamerapositionen bei der Aufnahme vor Ort exakt zu rekonstruieren. Auf diesem Wege wird eine mehrere tausendfach schnellere Auswertung einer gewaltigen Menge an selektiven Merkmalen möglich, was im Idealfall in den folgenden Arbeitsschritten die umfassende Berechnung der kompletten 3DOberfläche eines Objektes erlaubt. Wie dicht bzw. fein aufgelöst diese Oberfläche abgetastet werden kann, hängt von zahlreichen Faktoren aus den Fotos die Farbtexturen auf die berechneab, unter anderem von der Qualität der Fotos, der ten 3DOberflächen zu projizieren. Hier zeigen Auflösung des Kamerasensors oder der Beschafsich die wesentlichen Vorteile dieser Methode in fenheit der Oberfläche. Der gegenwärtige Stand einer naturgetreuen Wiedergabe der Farbfassunder Technik für eine wirtschaftliche Punktdich gen und Materialtexturen inklusive aufliegender te im Nahbereich bewegt sich bei Bedarf bereits Verschmutzungen und angetroffener Verwitteweit im Submillimeterbereich. Mit modernen rungsbilder.

Rechnersystemen werden in diesem digitalen Der Einsatz von digitaler Photogrammetrie Arbeitsschritt viele tausend Punkte pro Sekunde als Kernmethode in der Wertschöpfungskette erzeugt, was bei einer mehrstündigen Rechenzeit von Bestandserfassungen erlaubt einen im Verein hochaufgelöstes 3DModell aus Hunderten gleich zu anderen Methoden relativ reibungs Millionen Punkten ermöglicht. Als Primärergeb losen kompletten Prozessablauf von der berühnis steht aus dieser Berechnung eine sehr dicht rungslosen Erfassung bis zum Endprodukt. Ein aufgelöste 3DPunktwolke zur Verfügung, aus weiterer wichtiger Aspekt ist die Wirtschaftlichder im folgenden Arbeitsschritt, der sogenannten keit des Verfahrens, das sich methodisch flexibel Triangulation oder Dreiecksvermaschung, die ei an unterschiedlichste Anwendungsbereiche und gentlichen 3DFlächen erzeugt werden. Durch die Anforderungen anpassen lässt.

bereits vorhandene Orientierung der Kamerapositionen im Raum ist es abschliessend möglich, a+a 2/2017 29

Photogrammetrische

Erfassung der Schlusssteine:

Objektgeometrie und Oberflächen

Die Schlusssteine sind wesentlicher Teil des statischen Systems des Deckengewölbes und kön nen daher nicht entnommen werden. Aus diesem Grund mussten sie vor Ort hängend und über Kopf erfasst werden. Dazu kommt die hohe, geometrisch komplexe bildhauerische Qualität der Schlusssteine mit sehr fein gearbeiteten und ausdifferenzierten Formen, die sich in freigestellten, raumgreifenden Heiligenattributen, Händen etc. oder auch in zahlreichen Durchbrüchen und tiefen Hinterschneidungen ausprägen.

Diese schwierige Ausgangssituation war für eine möglichst umfassende und berührungslose 1

2

Ober flächenerfassung eine grosse Herausforderung. Um eine komplette photogrammetrische Aufnahme eines einzigen Schlusssteins durchzuführen, waren letztlich Hunderte hochauflösende Fotos nötig, die jeden Oberflächenpunkt des aufzunehmenden Objekts idealerweise mehrfach auf unter schiedlichen Fotos abbildeten. Nur so wurde eine möglichst lückenlose räumliche Rekonstruktion möglich.

Lichtverhältnisse

und Materialauflagen

Die Lichtsituation unter dem Deckengewölbe ist im Tagesverlauf sehr dynamisch und speist 3

sich aus dem Tageslicht, das je nach Sonnenstand oder bewölktem Himmel durch die farbigen Glasscheiben gefärbt und gefiltert wird. So wird ein sehr lebendiges und abwechslungsreiches Licht und Schattenspiel auf die Schlusssteine ge worfen.

Mit überdies komplett verschatteten und stets dunklen Hinterschneidungsbereichen ist diese Lichtsituation alles an dere als ein ide a les photogrammetrisches Aufnahmeszenario und macht das Arbeiten mit dem verfügbaren Licht kaum möglich. Im Übrigen verhindert auch das vibrationsanfällige Gerüst mit mobilen Gerüst böden in situ keine Lang zeitaufnahmen. Jede kleinste Erschütterung führt zu einer Verwacklung der Fotos. Erst durch den Einsatz mobiler Studio4

blitze konnten die Problembereiche Licht und 1 Das Endprodukt für den praktischen Einsatz: adaptiv vermaschtes 3D-Modell, Belichtungszeit angemessen gelöst werden, ohne kombiniert mit hochauflösenden 8K-Texturen. © Jan-Ruben Fischer gleichzeitig den wirtschaftlichen Aspekt aus den Augen zu verlieren. So wurde gewährleistet, 2 Rückseitiger Blick auf das 3DModell mit der Hinterschneidung sowie dass die einzelnen Steine möglichst umfassend, dem Durchbruch am linken Arm des Achatius. Im Durchbruch kann man die Rückseite der Parierstange des Schwertes sehen. © Jan-Ruben Fischer homogen und der jeweiligen Situation entsprechend ausgeleuchtet werden konnten. Anhand 3 Unbearbeitetes Bildschirmbild eines für das Internet optimierten WebGLModells der Reduktion des polychromen Tages und Dau am Beispiel des Achatius. Die Dreiecke wurden zwanzigfach reduziert, die Texturen um ein Viertel verkleinert. © Jan-Ruben Fischer erkunstlichts auf ein absolutes Minimum war es letztlich sogar möglich, sauber farbkalibrierte 4 Das fertige 3DFarbmodell aus der photogrammetrischen Erfassung des Sprengrings mit seinen komplexen Durchbrüchen und Hinterschneidungen. © Jan-Ruben Fischer 30 k+a 2/2017

Oberflächenfarben für die späteren 3DTexturen RotGrünBlauFarbmodell. So lassen sich auch Kartierungsplan des zu gewinnen. Ein weiteres Augenmerk musste in Zukunft komplett unabhängig von der ver Sprengrings mit der ferner auf die oft zu grossen Teilen in Gold ge wendeten Software die räumlichen Daten der geometrisch längentreuen Zylinder ab wicklung und fassten Materialauflagen gelegt werden. Diese Schlusssteine einlesen und interpretieren.

der Orthofotoprojektion.

waren durch ihre hohen Refle xionseigenschaften In der Praxis kann es heutzutage noch sehr © Jan-Ruben Fischer photogrammetrisch schwieriger zu erfassen als umständlich sein, mit grossen PunktwolkenDadiffuse Bereiche. Auch hier war die homogene ten effizient zu arbeiten. Als 3DArbeitsmodelle Flächenausleuchtung durch die Studioblitze für dienen daher für den praktischen Einsatz die adeine präzise Oberflächen erfassung förderlich. aptiv optimierten Dreiecksvermaschungen der Schliesslich wurden für das gesamte Projekt aus 3DSchlusssteine. Da diese 3DModelle aus einem 87 Schlusssteinen über 40 000 einzelne hochauf geschlossenen Dreiecksnetz bestehen, lassen sie lösende Fotos ange fertigt.

sich sehr vielfältig im Bereich CAD und 3D einsetzen. Ergänzt wird die 3DOberflächenbeschaf

Einsatzmöglichkeiten und Nutzen

fenheit dieser Modelle mit dem Informations

Das Primärziel war zunächst die Dokumen gehalt der hochauflösenden Texturen mit einer tation und Sicherung der Schlusssteine. Die Auflösung von ca. 67 Megapixeln.

eingefärbte Punktwolke zur digitalen Langzeit Als zusätzliche Sicherheit lassen sich ohne archivierung wird deshalb als einfache, nicht grösseren Aufwand aus den digitalen Daten proprietäre Textdatei gespeichert. Jeder einzelne mit tels 3DDruckverfahren jederzeit physische Punkt speichert schlicht seine X,Y,ZKoordinate, 1:1Kopien oder massstäbliche Verkleinerungen die Richtung, in die er «schaut» (Normalenvek anfertigen. Solch ein 3DDruck wurde bereits tor), und seine Farbe als RGBWert nach dem exemplarisch an der Figur des heiligen  Achatius a+a 2/2017 31

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erfolgreich durchgeführt und bestätigte auch Der einmalige Schatz der 500 Jahre alten haptisch die feine Detailqualität des digitalen Netzgewölbeschlusssteine des Berner Münsters 3DModells.

ist nun mittels digitaler Photogrammetrie bis in das Für die Schadenskartierung wurden aus die kleinste Detail geometrisch und farblich erfasst sen 3DDaten unter anderem CADPläne erzeugt, und für zukünftige Generationen gesichert. Er die als Kartierungsgrundlage Verwendung fanden. ist heute nur noch einen Mausklick entfernt und Aufgrund ihrer dreidimensionalen Natur war gewährt Einblicke, die über die Jahrhun derte es überdies möglich, sie auf eine Zylinderebene hinweg nur ganz wenigen Menschen unter einem abzuwickeln, um exakte und längentreue Ortho hohen Aufwand möglich waren. So unterstützen fotopläne zu erhalten.

die digitalen 3DModelle nicht nur die Aufgaben Abschliessend lassen sich die erzeugten 3D in der Denkmalpflege, sondern leisten auch einen Daten natürlich auch für unterschiedlichste me wichtigen Beitrag bei der Öffentlichkeitsarbeit.

diale Anwendungen einsetzen. Entsprechend optimiert, wurden kürzlich die Schlusssteine Zum Autor mit moderner Browsertechnik im Internet als sogenanntes WebGL verfügbar gemacht. So kann Jan-Ruben Fischer, Architekturstudium an der TU Karlsruhe (KIT), arbeitete nach seinem Diplom-jeder Interessierte mit einem Internetzugang sich abschluss 2005–2009 im Wiener Architekturbüro die 3DModelle im Netz betrachten. Von hier er Coop Himmelb(l)au als Architekt und 3D-Spezialist.

geben sich weitere Einsatzmöglichkeiten. Das di 2009–2014 war er an der Bauhaus-Universität gitale Oberflächenmodell eignet sich besonders Weimar am Lehrstuhl Informatik in der Architektur sowohl im Einsatz von modernen Lehr und Aus in Forschung und Lehre angestellt. 2015 gründete er sein Ingenieurbüro fischer – digitale photo-stellungskonzepten als auch in Anwendungen grammetrie frankfurt in Frankfurt am Main.

rund um die virtuelle Realität.

Hier bietet er hochspezialisierte Ingenieursdienst-leistungen und Beratung im Bereich der architek-tonischen Bauaufnahme an. Die Spezialisierung

Fazit

konzen triert sich auf die fotografische, berüh-Erst durch die sprunghafte technische Ent rungslose 3D-Erfassung von Bauwerken und wicklung der letzten Jahre ist es möglich gewor Kulturgütern und deren digitale Auswertung.

den, automatisiert hochauflösende 3DModelle Diese dienen sowohl als Grundlage für Planungen von Sanierungsmassnahmen als auch zur nach-einzig aus unzähligen Fotografien berechnen zu haltigen Langzeitdokumentation.

können. Zusammen mit hochentwickelter digi Kontakt: janruben.fischer@gmail.com taler Kameratechnik und dem schnell wachsenden Trend der Parallelisierung von Computerrechenprozessen sowie der Entwicklung immer Résumé leistungs fähigerer Softwarealgorithmen hat sich La photogrammétrie numérique die digitale Photogrammetrie von einer Spezial appliquée aux clefs de voûte disziplin des Vermessungswesens zu der räumli de la collégiale de Berne Grâce aux développements technolo-chen Objekterfassungsmethode der Wahl in vie giques fulgurants des dernières années, il est len anderen Anwendungsbereichen entwickelt.

désormais possible de générer des modèles

Im Einsatz für die 3DOberflächenerfassung 3D haute résolution sur la seule base d’un der Schlusssteine am Berner Münster haben sich nombre important de photographies. Avec die 3DModelle aus der digitalen Photogrammetrie le perfectionnement des caméras numériques, als ideale Ausgangsprodukte bewährt, um für la parallélisation croissante des processus den Einsatz in der Denkmalpflege, der Bauwerks de calcul informatiques et le développement dokumentation, dem 3DDruck oder vielseitig de logiciels et d’algorithmes toujours plus in medialen Anwendungen weiterverarbeitet performants, la photogrammétrie numérique, zu werden. Die Methode zeigte sich als äusserst qui représentait jusque-là une discipline spé-flexibel und adaptierte sich an schwierige Szena cialisée issue de la conservation des monu-ments historiques, est devenue une méthode rien, wo andere Methoden an ihre Grenzen sties de saisie tridimensionnelle des objets appli-sen. Eine sorgfältige Planung und Durchführung cable à de nombreux autres domaines.

der Aufnahmen resultiert in einem hochpräzisen Dans le cas de la saisie des clefs de farbigen 3DOberflächenmodell. Sie ist ideal für voûte de la collégiale de Berne, les modèles das Erfassen und Nachbilden komplexer, detail 3D obtenus par photogrammétrie numérique lierter und strukturierter Oberflächen.

se sont avérés constituer une base idéale

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pour être développée à des fins de conser-

da disciplina specialistica della conservazio-vation, de documentation, d’impression 3D

ne dei monumenti storici in tecnica privile-et d’utilisations multimédias diverses. Cette giata per il rilievo di oggetti applicata anche technique s’est révélée d’une grande flexibilité a molti altri campi.

et s’est adaptée à des situations difficiles, où Impiegati nell'ambito del rilievo 3D della d’autres méthodes montraient leurs limites.

superficie delle chiavi di volta della cattedrale Une préparation et une exécution minutieuses di Berna i modelli 3D della fotogrammetria des photographies permettent d’obtenir un

digitale si sono dimostrati prodotti di base modèle 3D couleurs d’une grande précision.

ideali non solo nel campo della conservazione Ce procédé est idéal pour saisir et reproduire dei monumenti storici, ma anche in sede en détail des surfaces structurées complexes.

di documentazione dell’edificio, di stampa

Le trésor exceptionnel que constituent

3D e di vari utilizzi in campo mediale. Il les clefs des voûtes réticulées de la collé-metodo si è dimostrato estremamente flessi-giale de Berne est désormais numérisé jusque bile e adatto anche a scenari difficili, in cui dans les moindres détails, tant en termes altre tecniche di rilievo hanno mostrato i loro de géométrie que de couleurs. Dorénavant limiti. Un’accurata pianificazione e realiz-accessible en un clic de souris, il est archivé zazione dei rilievi consente l’ottenimento di pour les générations futures et permet de voir un modello 3D a colori e ad alta precisione ce que n’avaient jusque-là vu que de rares della superficie di un oggetto. La fotogram-privilégiés, au prix d’efforts considérables.

metria digitale si presta in particolare per il Ainsi les modèles numériques 3D ne sont-ils rilievo e la restituzione di super fici complesse, pas seulement au service de la conservation dettagliate e strutturate.

du patrimoine, mais contribuent-ils aussi à

Grazie a questa tecnica lo straordinario

l’information d’un public élargi.

tesoro delle chiavi di volta del soffitto a costoloni della cattedrale di Berna, risalente a 500 anni fa, è stato rilevato geometricamen-Riassunto te e cromaticamente in ogni minimo dettaglio L’applicazione della fotogrammetria

e archiviato per le generazioni future. Oggi digitale nel rilievo delle chiavi di volta basta un click del mouse per ammirare questo

della cattedrale di Berna

tesoro e scoprire immagini che finora sono

Grazie alla rapida e profonda evoluzione

state accessibili solo a un numero ristretto tecnologica degli ultimi anni è diventato

di persone e con grande dispendio di mezzi.

possibile elaborare in modo automatizzato

In questo senso, i modelli 3D non supportano dei modelli 3D in alta risoluzione a partire solo i compiti della conservazione dei monu-da un elevato numero di fotografie. Insieme menti storici, ma danno anche un importante alla sofisticata tecnologia digitale delle contributo informativo alla collettività.

fotocamere e alla crescente tendenza alla

parallelizzazione dei processi di calcolo

computerizzato, così come allo sviluppo

di software e algoritmi sempre più raffinati, la fotogrammetria digitale si è trasformata Stuck- und Putzrestaurierung

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