Digitale Zwillingsstädte: 3D-Modelle aus einem scannenden Auto

Ziel des ScanVan-Projekts war es, zu zeigen, dass eine sphärische Kamera die Erstellung von photogrammetrischen 3D-Datensätzen erheblich vereinfachen kann, sodass die Berechnung von 3D-Modellen von Städten im Alltag möglich wird. Konventionelle Kameras haben immer ein begrenztes Sichtfeld. Im Gegensatz dazu ist die ScanVan-Kamera in der Lage, in alle Richtungen gleichzeitig zu «schauen». Aufgebaut auf einem Kleinwagen erlaubt sie es, eine Stadt zu digitalisieren, indem man einfach einmal durch jede ihrer Strassen fährt. Um das 3D-Modell zu erstellen, werden die aufeinanderfolgenden sphärischen Bilder automatisch verglichen. Die zahlreichen gemeinsamen Punkte, die in den beiden Bildern sichtbar sind, werden identifiziert und ihre Position im Raum durch Triangulation berechnet. Die Modelle werden dann verdichtet, kombiniert und schliesslich wieder in den geografischen Raum gelegt, sodass sie dem realen Raum überlagert werden können.

Bei einem herkömmlichen Scan-Ansatz muss zunächst ein Satz aufgenommener Bilder gesammelt und einer Verarbeitungspipeline zugeführt werden, um die Bereiche zu erkennen, die mehr Details oder Abdeckung benötigen. Der Aufbau des Bilddatensatzes ist also ein iterativer Digitalisierungsprozess, bis die Anschlussmöglichkeiten und Abdeckungsziele erreicht sind.

Die in diesem Projekt entwickelte Methode und die Technologie haben den Vorteil, dass sie die experimentellen Aufnahme-Strategien in vorhersagbare Aufnahme-Fotokampagnen umwandelt. Die Verwendung einer omnidirektionalen Zentralkamera vereinfacht die Planung der Aufnahmestrategien erheblich, um die Anschlussmöglichkeit der Bilder zu gewährleisten. Auf diese Weise kann eine optimale diachrone Abtastung ins Auge gefasst und zu einem zuverlässigen operativen Schritt in der städtischen Managementplattform werden.

Die Entwicklung von Smart Cities und digitalem Urbanismus ist nur dann effektiv, wenn eine kontinuierliche physische Abtastung der Stadt selbst erreicht werden kann. Die ausfallsichere Scantechnologie ist ein Grundbaustein für urbane Betriebssysteme und 4D-"Spiegelwelten". In dem vom ScanVan-Projekt verfolgten Ansatz wird die 4D-Welt als eine Reihe von separaten raumzeitlichen Zonen entstehen, die nach und nach miteinander verbunden werden und ein dichteres Gewebe von Darstellungen bilden. Kontinuierlich gescannte Städte werden die Kernstruktur dieses 4D-Skeletts bilden.

Im Rahmen des Projekts entwarfen die Forschungsteams eine omnidirektionale Zentralkamera, einen Algorithmus zur Geometrieabschätzung, der direkt auf sphärischen Bildern arbeitet, und eine Verdichtungstechnik, die auf der geschätzten Geometrie basiert.

Die ScanVan-Kamera wurde als hyperbolischer Spiegel konzipiert, dessen Form mathematisch berechnet wurde, um Lichtstrahlen aus allen Richtungen auf zwei hochauflösende Sensoren zu reflektieren. Die Kamera verhält sich somit wie eine Kugel, die ihre Umgebung wahrnimmt. Alle Strahlen laufen quasi in ihrem Zentrum zusammen. Für die Konstruktion des zentralen Spiegels wurde ein Herstellungsverfahren mittels Diamantdrehen verwendet. Der doppelseitige Spiegel wird aus einem einzigen Stück Aluminium mit einer zusätzlichen Beschichtung hergestellt. Die resultierende Spiegelqualität ist so hoch, dass kein Polieren erforderlich ist.

Die Kamera wurde auf einem Fahrzeug aufgebaut und in der Stadt Sion getestet. Ein Algorithmus zur Geometrieabschätzung, der direkt auf sphärischen Bildern arbeitet, und eine Verdichtungstechnik auf Basis der geschätzten Geometrie wurden entwickelt. Die Relevanz dieses Geräts, grosse 3D-Modelle städtischer Umgebungen aus einer Folge von Bildern zu erstellen, die bei einem einzigen Durchgang einer Trajektorie aufgenommen wurden, wurde experimentell getestet. Zudem wurden Methoden für die Erstellung ausfallsicherer Digitalisierungskampagnen entworfen und patentiert.

Um diesen Fluss neuer Daten zu erforschen, wurde eine Web-Navigationsschnittstelle entwickelt. Die Navigationsoberfläche des Projekts ermöglicht es, sich unterbruchsfrei zwischen verschiedenen Massstäben der 3D-Darstellungen zu bewegen und die vom ScanVan erfassten sphärischen Bilder zu sehen. Wenn möglich, enthält sie auch die Option, in der Zeit zurückzugehen, wenn ältere 3D-Modelle verfügbar sind. Es ist also möglich, in vier Dimensionen zu navigieren.

Es wurde ein «Privacy-by-Design»-Ansatz verfolgt. Algorithmen wurden so programmiert, dass aus den aufgenommenen sphärischen Bildern alle Aspekte gelöscht werden, mit denen Personen oder Fahrzeuge identifiziert werden könnten. Zusätzlich macht es ein Annotations-Interface für jeden einfach, auf diese hinzuweisen und ihre Entfernung zu verlangen. Das Ziel ist es, die so konstruierte 4D-Welt zu einem öffentlichen Raum zu machen, der die Privatsphäre respektiert.

ScanVan - A distributed 3D digitalization platform for cities