Topometrische HighEnd 3D-Oberflächen-Scanner, die auf die Anforderungen im Bereich von Kunst und Kultur optimiert sind, ermöglichen heute eine schnelle 3-dimensionale Digitalisierung von Kunstobjekten und Gemälden mit hoher Auflösung und Genauigkeit. Gleichzeitig kann die Textur bzw. Farbe des Objektes erfasst werden, wobei eine eins-zu-eins Zuordnung von 3D-Struktur und Farbinformation gegeben ist. Insbesondere können topometrische 3D-Mess- und Digitalisiersysteme aufgrund ihrer hohen Flexibilität und Mobilität i.a. vor Ort eingesetzt werden, im Museum oder auch im Feld.

Die so entstandenen digitalen Modelle können entweder in einer virtuellen Welt weiterverwendet werden, sei es zur reinen Visualisierung, zur ­Dokumentation bzw. Archivierung, oder für wissenschaftliche Analysen genutzt werden. Von Gemälden wird so ein unverwechselbarer digitaler Fingerabdruck gewonnen. Außerdem können anhand der digitalen Modelle mit unterschiedlichen Rapid-Prototyping-Verfahren maßstabsgerechte und formgetreue Kopien erstellt werden.

Typische Anwendungsbeispiele für die Verwendung der digitalen Modelle im kulturellen Bereich sind:

• die quantitative Schadens­kartierung an Denkmälern und Skulpturen
• die Untersuchung von Gemälden anhand von Farbe und 3D-Struktur
• die wissenschaftliche Analyse von paläontologischen und archäologischen Funden
• die Erstellung einer Identity Card von Kunstgegenständen
• die virtuelle Präsentation von Kunstwerken in Museen und im Internet
• die Herstellung von objektangepassten Transportverpackungen
• die Anfertigung von maßstabsgerechten Kopien
• die virtuelle Rekonstruktion von Kunstobjekten

Topometrie: schnell, genau, zuverlässig
Das Funktionsprinzip topometrischer Scanner ist einfach zu erklären: Mit einer speziellen Projektionseinheit werden Streifenmuster auf das aufzunehmende Objekt projiziert. Diese werden von einer oder mehreren hochauflösenden Kameras erfasst. Sofern die Kameras unter einem Winkel zur Projektion angeordnet sind, sehen sie Streifenmuster, die in charakterischer Weise von der 3D-Struktur des Objektes verformt werden. Unter genauer Kenntnis aller optisch-mechanischen Parameter des Sensors kann daraus die 3D-Geometrie der Messszene eindeutig berechnet werden.
Um Genauigkeit, Auflösung und Zuverlässigkeit der Datenerfassung und Auswertung zu erhöhen, wird üb­licherweise nicht ein einzel­nes Streifenmuster, sondern eine Serie von Mustern projiziert. Dies kann mit modernen, ­modular aufgebauten 3D-­Scannern wie dem triTOS-3D-System, innerhalb von einer Sekunde erfolgen, wobei in dieser Zeit bis zu 5 Millionen Bildpunkte erfasst werden.
Dabei können abhängig von der Sensorkonfiguration und den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung in einer Teilaufnahme Messfelder von wenigen cm² bis zu einigen m² erfasst werden. Für kleine Messfelder können ­laterale Auflösungen von ca. 10 µm (entsprechend ca. 2.400 dpi) und Tiefenauflösungen von wenigen µm eingestellt werden.
Für die Digitalisierung kompletter Strukturen können die einzelnen Teilaufnahmen mit dem triTOS-3D-System einfach anhand ihrer 3D-Geometrie zusammengesetzt werden, wobei die Anzahl der benötigten Teil­aufnahmen stark von der Komplexität des jeweiligen Objektes abhängig ist. Die smartSCAN-3D und triTOS-3D-Systeme bieten dabei einen besonderen Vorteil: Der asymmetrische 2-Kamera-Aufbau vereint in einem Sensor drei Triangulationswinkel. Die meisten Objektbereiche werden unter einem Triangulationswinkel von 30 ° mit höchster Genauigkeit und ­Datenqualität erfasst. Schwer zugängliche Bereiche können allerdings mit einem reduzierten Triangulationswinkel von 20° oder 10 ° aufgenommen werden. Ein intelligentes Datenmanagement gewährleistet dabei, dass immer die optimal verfügbare Datenqualität verwendet wird.

Paläontologie und Anthropologie
Die quantitative Analyse von Formen und Strukturen sowie der Vergleich von Variationen innerhalb der Entwicklungsgeschichte von Mensch und Tier gehört zu den wichtigsten Arbeiten von Paläontologen und Anthropologen. Dabei sind vor allem Zähne die z. T. einzigen erhaltenen Fundstücke unserer frühen Vorfahren bzw. der damals lebenden Tierwelt. Eine detaillierte Analyse - z. B. der Kauflächen von Zähnen - gibt daher wertvolle Hinweise auf Nahrungsangebot und Lebensweise der frühen Menschen. Höchstaufgelöste 3D-Daten der zu untersuchenden Objekte - im Bild (s. 69) ein Mausezahn mit einer Größe von nur ca. 1,5 x 1 mm - stellen die Grundlage dieser Forschungen dar.
Der morphometrische Vergleich von Strukturmerkmalen z. B. des Schädels ermöglicht Anthropologen, grundlegende Aussagen über die Entwicklungsgeschichte des Menschen zu treffen. Mit den mathematischen Methoden der Morphometrie können wir aber auch heutige Menschen virtuell in unsere Vorfahren zurückverwandeln. Günter Jauch, der anlässlich einer Stern-TV-Sendung über Neandertaler gescannt wurde, hat seine Metamorphose mit Humor getragen.

Archäologie
In der zentralen Mongolei existieren Hunderte von Monolithen, die mit farbigen Zeichnungen bzw. Gravuren von Hirschen versehen sind und daher auch Deer Stones genannt werden. Das Alter dieser Steine, die bis zu 4 m hoch sind, wird auf ca. 3.000 Jahre geschätzt. Mit dem auch in der Mongolei zunehmenden Tourismus besteht eine reale Gefahr, dass diese unersetzlichen Zeugen einer alten, bisher wenig erforschten Kultur verschwinden bzw. stark beschädigt werden. Das Smithsonian Museum in Washington hat sich daher die Aufgabe gestellt, diese Deer Stones in ­digitaler Form zu dokumentieren, zu archivieren und wissenschaftlich auszuwerten. Bei mehreren Exkursionen wurden bisher insgesamt 30 dieser Monolithen gescannt und analysiert; keine leichte Aufgabe, wenn man bedenkt, dass die Arbeiten im Landesinneren der Mongolei fernab jeglicher Infrastruktur bei extremen Bedingungen durchgeführt werden mussten.

Gemälde
Im Allgemeinen werden Gemälde vom Betrachter als 2-dimensionale Bilder wahrgenommen. In vielen Fällen sind aber nicht nur Farbe bzw. Textur, sondern auch die 3D-Information des Farbauftrages ein wichtiger Informa¬tionsträger. Beispielsweise lassen sich daraus wichtige Kenntnisse über den Pinselstrich und die Arbeitsweise des Künstlers ableiten. Ein höchst-aufgelöster 3D-Scan, der neben der 3D-Struktur die pixelgenaue Farbinformation enthält, stellt in Kombination mit anderen optischen Prüfverfahren, wie z. B. Röntgentechniken, letztlich auch einen unverwechselbaren digitalen Fingerabdruck des Gemäldes dar.

Virtuelle und physikalische Rekonstruktion von Skulpturen
Neben der virtuellen Darstellung und Verarbeitung digitaler Modelle werden zunehmend moderne 3D-Print-Verfahren eingesetzt werden, um - ausgehend von einer Netzdarstellung der Objektoberfläche - eine automatische Herstellung von Repliken zu erstellen. Mit heute verfügbaren Systemen können, je nach verwendeter Technik und Materialien, Auflösungen bis in den Bereich von ca. 15 µm erzielt werden. Erste 3D-Printer ermöglichen auch bereits die Anfertigung von farbigen Kopien; allerdings ist hier beim derzeitigen Stand der Technik eine manuelle Nachbearbeitung der Farbe empfehlenswert. Im Rahmen eines Projektes zur virtuellen und physikalischen Rekonstruktion des Altars von Kisszeben wurden von der Fa. Tondo Bt, Budapest, Ungarn, mit Unterstützung durch die Ungarische National Galerie insgesamt 7 Figuren und Teile des Altars gescannt.

Über Breuckmann
Bereits vor ca. 20 Jahren hat die Breuckmann GmbH in Meersburg damit begonnen, optische 3D-Messsysteme, basierend auf der Streifenprojektionstechnik, zu entwickeln. Heute steht ein breites Produktspektrum von HighDefinition 3D-Scannern zur Verfügung, das vornehmlich für technische HighEnd-Applikationen zum Einsatz kommt. Typische Anwendungen sind überall dort gegeben, wo komplexe Teile, insbesondere Freiformflächen, mit hoher Auflösung und Genauigkeit zu vermessen bzw. zu digitalisieren sind, insbesondere in den Bereichen Design, Rapid Prototyping, Inspektion, Reverse Engineering oder in Forschung & Entwicklung. Frühzeitig wurde bei Breuckmann aber auch erkannt, welche Vorteile und neuen Möglichkeiten topometrische 3D-Scanner in anderen Bereichen eröffnen, so z. B. in der Medizintechnik, in der 3D-Photografie oder bei der 3-dimensionalen Dokumentation von Kulturgütern.