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Mit BIM, VR-/AR und dem 3D-Druck wird auch das 3D-Scanning immer wichtiger. Allerdings sind auf Dreibeinstativen montierte stationäre 3D-Laserscanner in räumlich beengten und unzugänglichen Stellen in der Nutzung eingeschränkt.
Handgeführte Geräte erfassen auch Leitungsführungen hinter abgehängten Decken, in Installationskanälen oder in -schächten.
Bei der Auswahl der passenden Lösung sollte auch auf das Zusammenspiel von Hard- und Software geachtet werden.
Immer leistungsfähiger werden auf der ARCore-, respektive ARKit-Technologie basierende Smartphone- und Tablet-Aufmaß-Apps, die Fotos oder Videos räumlich auswerten und daraus quasi in Echtzeit dreidimensionale Aufmaßdaten generieren.
3D-Scanner haben sich im Bestandsaufmaß, in der Mängelerfassung, Qualitätssicherung oder As-Built-Dokumentation längst etabliert. Schon seit Jahrzehnten gibt es zum terrestrischen Laserscanning mit
stationären Geräten bei der Erfassung von Gebäudebestand keine wirtschaftlichere Alternative. Mit der BIM-Planungsmethode erhielt die Technologie einen zusätzlichen Schub (TGA 11-2017: Von der Punktwolke zum BIM-Modell, Webcode 950008)
Grenzen haben die auf Dreibeinstativen montierten Geräte allerdings in räumlich beengten und unzugänglichen Stellen, wie abgehängten Decken, Installationskanälen oder -schächten. Mit handgeführten Geräten kommt man praktisch überall hin. Zudem wird die mobile Scan-Technik immer besser und preisgünstiger, sodass kleine Objekte, wie Hausanschluss- oder Heizräume, auch komplett per Handscanner rationell erfasst werden können.
Vergleichsübersicht: 3D-Handscanner:
Einsatzbereiche und Vorteile
Werden Modernisierungs-, Umbau- oder Erweiterungsmaßnahmen geplant, ist in der Regel zunächst ein präzises Bestandsaufmaß erforderlich. Je präziser und zuverlässiger es ist, desto geringer ist die Gefahr teurer Folgekosten aufgrund ungenauer Planungsgrundlagen. Das 3D-Laserscanning eignet sich dafür in idealer Form, denn es erfasst auch komplexe, krumme und schiefe, frei geformte oder filigrane Bauwerksstrukturen, wie Leitungsführungen und gebäudetechnische Anlagen dreidimensional, präzise und in kurzer Zeit.
Da die Messdaten berührungslos und relativ schnell erfasst werden, lässt sich die Verweildauer vor Ort minimieren. Das verringert Unfallrisiken auf der Baustelle, Einschränkungen des laufenden (Bau)Betriebs, die Wetter- oder Schadstoffexposition. Zudem ist bei Laserscan-Verfahren keine Ausleuchtung erforderlich, was Aufmaße tageszeit- und lichtunabhängig macht. Auch dunkle Installationsschächte und Zwischengeschosse stellen kein Problem dar.
Die erfassten Geometriedaten, Farb- und Texturinformationen lassen sich vielfältig nutzen: Je nach Aufgabenstellung können aus den 3D-Daten beliebige 2D-Pläne für die Gebäudeplanung und -verwaltung oder für Visualisierungen, Animationen und Präsentationen generiert werden.
Die Wirtschaftlichkeit, Schnelligkeit und Präzision des Verfahrens macht das 3D-Laserscanning vielfältig einsetzbar: Von der Bestandserfassung und Dokumentation, der Bestandssicherung und Überwachung von Bauobjekten, über die „As-Built-Bestandsdokumentation“ realisierter Bauwerke – bis hin zur Bauschadenanalyse, 3D-Visualisierung oder die Übergabe von Gebäudedaten für die BIM-Planung reicht die Palette der Einsatzmöglichkeiten. Auch baubegleitend lassen sich 3D-Laserscanner für die Qualitätssicherung einsetzen – etwa um Bau- oder Montagefehler, Soll- und Ist-Abweichungen zu erfassen etc.
Bild: Ametek / Creaform
Das 3D-Scanning wird mobil
Für die digitale Erfassung bestehender Objekte werden unterschiedliche Scanner-Bauformen offeriert: auf einem Dreibeinstativ montierte Geräte für die stationäre Raum- und Gebäudeerfassung (TGA 09-2018: Punkte oder Wolken, Webcode 950009), handgeführte 3D-Scanner sowie 3D-Desktopscanner für die Erfassung kleiner Objekte.
Mit letzteren lassen sich beispielweise kleine Objekte scannen und anschließend auf 3D-Druckern ausgeben, etwa um nicht mehr erhältliche Ersatzteile zu reproduzieren. Stationäre Stativ-Scanner erfassen von einem Standort aus ein 360° × ca. 320°-Panorama. Der bauart- und stativbedingte vertikale „Mess-Schatten“ von etwa 40° kann in beengten Mess-Situationen hinderlich sein.
3D-Handscanner haben den Vorteil, dass man sie im Messobjekt oder um das Objekt herum frei führen, näher herangehen und so alle Details praktisch lückenlos erfassen kann. Aufgrund ihres relativ geringen Gewichtes (0,5 bis 2,5 kg) und kompakter Abmessungen eignen sich vor allem akkubetriebene Modelle als Ergänzung zu Stativ-Scannern – etwa um schlecht zugängliche Stellen zu erfassen. Die aus unterschiedlichen Quellen gewonnenen Scandaten lassen sich anschließend passgenau zusammenführen.
3D-Handscannern liegen unterschiedliche Messverfahren mit ihren spezifischen Stärken und Schwächen zugrunde: Bei Streiflicht-Scannern werden parallele Lichtstreifen aus mehreren Richtungen auf die Objektoberfläche projiziert, die auf dem Objekt individuelle Muster erzeugen und von einer Kamera erfasst werden. Über eine Software-Auswertung der Muster wird die Objektoberfläche räumlich erfasst. Aufgrund der begrenzten Lichtstärke sind Streiflichtscanner nur in Innenräumen einsetzbar und auch der mögliche Objektabstand ist begrenzt.
TOF-Scanner (Time of Flight) ermitteln per Zeitmessung die Distanz zwischen einem ausgesandten Lichtimpuls und dem Objekt und berechnen so den Objektabstand. Temperatur-, Licht- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen können jedoch die Scanqualität beeinflussen.
Handgeführte 3D-Laserscanner funktionieren ähnlich, tasten das Objekt aber mit einem dichten Raster an Laserpunkten ab
und berechnen per Laufzeitmessung oder Lasertriangulation für jeden einzelnen Punkt die Raumkoordinaten. Einige Geräte kombinieren zur Verbesserung des Scan-Ergebnisses auch mehrere Messverfahren und Sensoren.
Immer interessanter und leistungsfähiger werden auf der ARCore-, respektive ARKit-Technologie basierende Smartphone- und Tablet-Apps. Mit dieser von Google bzw. Apple für AR-Anwendungen (Augmented Reality, erweiterte Realität) entwickelten Technologie lassen sich mehrere, aus unterschiedlicher Richtung aufgenommene Fotos bzw. Videos räumlich auswerten, daraus 3D-Aufmaßdaten generieren und in gängigen Formaten exportieren (z. B. OBJ, STL, GLB, PLY, X3D etc.).
Praktisch alle aktuellen Mobilgeräte sind mittlerweile ARCore-, respektive ARKit-kompatibel. In Verbindung mit den entsprechenden Apps (z. B. 3D Scanner for ARCore, Qlone, Trnio etc.) lässt sich damit jedes aktuelle Smartphone oder Tablet in einen 3D-Scanner verwandeln, sodass man ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand Objekte dreidimensional erfassen kann.
Bild: Faro
Für jeden Zweck der passende Scanner
Das Marktangebot mobiler 3D-Scanner ist inzwischen größer als das stationärer Geräte, auch wegen der großen Vielfalt semiprofessioneller Geräte. Allerdings lässt sich die Auswahl der infrage kommenden Modelle durch mehrere Kriterien einschränken: Durch den Einsatzzweck, das Scanobjekt, die Objektgröße, die Genauigkeitsanforderungen, das gewünschte Scanergebnis und nicht zuletzt den Preis.
Bild: Trimble
Bild: Leica Geosystems / Hexagon
Das Preisspektrum ist mit 500 bis 50 000 Euro ebenso groß wie das Spektrum der Ergebnisqualitäten und nur wenige Modelle sind für die Erfassung von Innenräumen oder der Gebäudetechnik geeignet. Prinzipiell gilt: Je weiter entfernt, respektive je größer das Messobjekt ist und je präziser das Ergebnis sein soll (zwischen 0,1 und 30 mm), desto hochwertiger sollte der 3D-Scanner sein. Bei den Messverfahren haben sich vor allem Streiflicht- und Laserscanner bewährt, letztere auch für Scans im Außenbereich.
Zu den wichtigsten Unterscheidungsmerkmalen von 3D-Handscannern gehört die Genauigkeit, konkret die 3D-Punktgenauigkeit und die 3D-Auflösung. Der erste Wert gibt die maximale Genauigkeit zwischen den gemessenen Punkten und deren tatsächlicher Position an. Die 3D-Auflösung ist der kleinste erfassbare Abstand zwischen zwei Objektpunkten bei einer bestimmten Scanentfernung. Sind Details auf dem Messobjekt kleiner als die Auflösung des Scanners, werden diese nicht erfasst.
Der minimale und maximale Scan-Abstand gibt den Messbereich in Metern an, innerhalb dem Objekte vom Scanner erfasst werden können. Er liegt in der Regel zwischen 0,2 und 1 bis 2 m und mehr. Das Scan-Feld gibt den Erfassungsbereich, quasi das „Sichtfeld“ des Sensors bei einem minimalen oder maximalen Scan-Abstand an.
Wie schnell ein 3D-Scanner Messobjekte erfassen, bzw. manuell am Objekt entlanggeführt werden kann, gibt die maximale Scan-Geschwindigkeit oder Rekonstruktionsrate in Frames per Second (fps) an.
Ein weiteres Merkmal ist die Fähigkeit, Oberflächentexturen über Kameras zu erfassen, die insbesondere bei Visualisierungen eine Rolle spielen. Werden Objekte vorwiegend für die CAD-Planung oder den 3D-Druck gescannt, ist in der Regel nur die Objektgeometrie wichtig. Dann genügen auch preiswertere Scanner, die zwar Oberflächen nicht oder nur unzureichend wiedergeben, dafür aber eine präzise Objektgeometrie liefern (z. B. EVA / EVA Lite von Artec 3D).
Bei den äußeren Gerätemerkmalen sollte man auf die Abmessungen, das Gewicht sowie die Stromversorgung achten. Sperrige Maße, ein hohes Gewicht, störende Netz- oder auch Datenkabel können einen flexiblen Einsatz behindern. Der Schutzgrad gibt an, wie gut das Gerät gegen Staub oder Nässe geschützt ist.
Gängige Schnittstellen sind ein Ethernet- und ein USB-Anschluss, eine Bluetooth- oder WLAN-Schnittstelle zum Notebook oder Tablet für die Anzeige sowie ein SD-Kartenslot oder eine SSD-Festplatte für die Speicherung der kontinuierlich generierten Messdaten.
Bild: Occipital
Bild: Occipital
Bild: Trimble / Alterra
Scannen, exportieren, weiterbearbeiten
Wichtig in der Praxis ist auch eine möglichst intuitive und unkomplizierte Bedienung, die flüssige und abbruchfreie Scanvorgänge ermöglicht. Handgeführte 3D-Scanner setzen nämlich etwas Übung voraus. So sind beispielsweise langsame, gleichförmige und ruckfreie Bewegungen erforderlich, damit der Scanvorgang nicht versehentlich unterbrochen wird. Andernfalls müssen mehrere Teil-Scans erst mithilfe von Programmen für die Scandatenbearbeitung zusammengeführt werden.
Als Scan-Ergebnis erhält man eine aus vielen tausenden miteinander verbundenen Polygonflächen bestehende Polygonnetzdatei (Mesh), die als STL, OBJ, E57, XYZ und in weiteren Dateiformaten exportiert werden kann. Mit Programmen für die Verarbeitung von 3D-Scandaten (Wiki-Liste mit Programmen zur Punktwolkenverarbeitung: www.bit.ly/tga1171) oder mit kostenfreien Programmen (z. B. Blender) lassen sich diese Scandaten bearbeiten, korrigieren und in CAD-Dateiformate exportieren (DXF, DWG, IFC etc.). Auch Programme für die 3D-Modellierung oder den 3D-Druck können 3D-Handscannerdaten direkt importieren, TGA-CAD-Programme bisher allerdings nicht.
Die Scangeschwindigkeit ist mit ausreichender Übung relativ hoch, sodass man beispielsweise inklusive der Daten-Nachbearbeitung in 30 bis 60 min eine Heizanlage durchschnittlicher Größe digital erfassen kann. Der tatsächliche Aufwand und die Dauer der Auswertung und Weiterbearbeitung hängen allerdings davon ab, welche Ergebnisse man braucht: Zweidimensionale Grundrisse, Ansichten oder Schnitte, CAD-Volumenmodelle oder BIM-Datenmodelle. Letzteres erfordert manuelle Konstruktionsarbeit, die mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann.
Das mobile Scanning boomt
Für kleine und mittlere Objekte sind handgeführte Scanner eine Alternative zu Stativ-Laserscannern – auch wegen der geringeren Investitionskosten. Wer Stativ-Scanner bereits einsetzt, kann damit sein Einsatzspektrum erweitern.
Die bei der Auswahl der passenden Lösung wichtigste Frage ist, wie schnell man zum gewünschten Ergebnis kommt. Dabei spielt nicht nur die Mess-Hardware, sondern das Zusammenspiel von Hard- und Software eine große Rolle. Diesbezüglich ist noch einiges zu erwarten, denn der Markt für mobiles 3D-Scanning entwickelt derzeit sehr dynamisch, nicht zuletzt im Zusammenhang von BIM, VR-/AR und 3D-Druck.
Sowohl 3D-Handscanner als auch auf ARCore oder ARKit nutzende Aufmaß-Apps werden immer besser und schneller. Professionelle 3D-Handscanner liegen derzeit noch vorn, weil sie auf Grundlage geeichter Messgeräte präzisere Ergebnisse in einer kürzeren Zeit liefern.
Welchen Einfluss die ARCore- und ARKit-Technologie künftig auf das mobile 3D-Scanning haben wird, ist noch nicht abzusehen, zumal auch die Auswertungs-Apps immer smarter werden. Außerdem haben sie den Vorteil, dass man keine zusätzlichen, teuren Geräte braucht und mit dem Smartphone praktisch immer auch einen 3D-Scanner dabei hat. Man darf auf weitere Entwicklungen gespannt sein.
Marian Behaneck
Bild: Matter and Form
Weitere Informationen
[1] www.3dnatives.com/de mit Suche: 3D-Scanner
[2] www.3dscanexpert.com Testberichte, Beratung
[3] www.all3dp.com/de Marktübersicht 3D-Scanner
[4] www.laserscannerblog.de Laserscanning-Blog
[5] www.laserscanning-europe.com Service, Scanner-Miete etc.
[6] www.sculpteo.com/de mit Suche: 3D-Scanner
[7] www.wikipedia.de mit Suche: Laserscanning etc.
[8] www.youtube.de mit Suche: Laserscanning etc.
Stativ-Scanner to go
Auch Stativ-Scanner werden mobil: auf der Messe Intergeo 2019 präsentierte Faro mit dem Indoor Mobile Scanner eine Lösung für das mobile Scanning. Damit lassen sich Stativ-Laserscanner von Faro zu einem mobilen Scansystem erweitern und Innenräume deutlich schneller erfassen als mit einzelnen stationären Scans. Somit soll die früher mehrere Tage dauernde Bestandserfassung innerhalb weniger Stunden möglich sein. Dank einer stationären Scanfunktionen können die Benutzer in Echtzeit in den HiFi-Scanmodus umschalten und damit die Aufmaßgenauigkeit steigern. Eine ähnliche Lösung bietet auch Trimble mit der Trimble Indoor Mobile Mapping Solution (TIMMS) an.
Anbieter (Auswahl)
www.3dsystems.com
www.artec3d.com
www.canvas.io
www.creaform3d.com
www.dotproduct3d.com
www.faro.com
www.geoslam.com
www.hp.com
www.laserscanning-europe.com
www.leica-geosystems.de
www.mantis-vision.com
www.matterandform.net
www.nctechimaging.com
www.qlone.pro
www.rangevision.com
www.shining3d.com
www.structure.io
www.teledyneoptech.com
www.trnio.com
www.zeiss.com
ARCore- und ARKit-unterstützte Mobilhardware:
