Zur 3D-Digitalisierung ausgewählter Beispiele aus wissenschaftlichen Sammlungen der Berlin University Alliance – Werkstattbericht (Teil 1)

Ein Universitätszepter, ein aus dem Ei schlüpfendes Krokodil, ein Landschaftsmodell und eine Unterarm-Prothese entwickelt für die Kriegsversehrten des Ersten Weltkriegs. Rollsiegel, Modelle von Schiffspropellern und das Korrosionspräparat einer Vogel-Lunge. Was diesen Objekten gemein ist? Sie alle sind universitäre Sammlungsobjekte aus den Beständen von FU, HU, TU und Charité, die im Exzellenzverbund Berlin University Alliance (BUA) zusammenarbeiten. Wie für Universitätssammlungen üblich werden diese Objekte in der Lehre genutzt, beforscht oder der Öffentlichkeit präsentiert. An die 3D-Digitalisierung stellen sie ganz unterschiedliche Anforderungen. Und gerade deshalb wurden sie für die Zusammenarbeit des Digitalen Netzwerks Sammlungen der BUA mit der ZE3D der TU ausgewählt. In seinen Beiträgen berichtet Joachim Weinhold von der ZE3D über die in der Arbeit mit den universitären Sammlungsobjekten gewonnen Erkenntnisse und die Zusammenarbeit mit dem Digitalen Netzwerk Sammlungen. (Meike Knittel)
Die Zentraleinrichtung 3D Technologien der TU Berlin
Die Zentraleinrichtung 3D-Technologien (ZE3D) an der TU bündelt Kapazitäten der additiven Fertigung, des dreidimensionalen Scans sowie der interaktiven stereoskopischen Visualisierung und ist dabei Ansprechpartner nicht nur für die Einrichtungen der TU Berlin, sondern gemäß ihrer Satzung auch für die Partneruniversitäten der BUA. Ziel ist es, durch eine zentrale Zurverfügungstellung professioneller technischer Ausstattung und des Personals zu dessen Bedienung sowohl die Erreichbarkeit als auch die Auslastung hochwertiger Technologien für alle Beteiligten zu verbessern. Weiterhin soll dadurch die Möglichkeit geschaffen werden, die in diesem Themenfeld notwendigen Investitionen zu bündeln und damit zur Einsparung von Kosten beizutragen.
Für die Digitalisierungen im Rahmen der Kooperation der ZE3D mit dem Digitalen Netzwerk Sammlungen der Berlin University Alliance wurde die gesamte derzeit vorhandene Bandbreite der technischen Ausstattung der ZE3D zur Erstellung von 3D-Scans eingesetzt: Mikro-Computertomografie für Messungen bis in den Mikrometerbereich; Streifenlicht-Scan mit variablem Messfeld für feine Details bei der Erfassung von Objektoberflächen; Triangulations-Laserscan mit einem handgeführten Gerät für größere Objekte und zügige, kostengünstige Arbeiten – insbesondere in Fällen, in denen die Sammlungsobjekte nicht oder nur mit großem Aufwand in den Räumlichkeiten der ZE3D hätten gescannt werden können. Als Ergänzung für die Erfassung realistischer Texturen oder für Spezialfälle wurden einige Objekte zusätzlich photogrammetrisch digitalisiert.
Universitäre Sammlungsobjekte erfassen und präsentieren
Im Zusammenhang der Digitalisierung von Universitätssammlungen in der Berlin University Alliance wurde an der Zentraleinrichtung 3D Technologien ein Pilotprojekt zur dreidimensionalen Digitalisierung von ausgewählten Sammlungsstücken verschiedener wissenschaftlicher Sammlungen aus dem BUA-Verbund durchgeführt. Ziel war es dabei einerseits, die Möglichkeiten und Grenzen aus technischer Sicht auszuloten und für die in ihrer Beschaffenheit stark heterogenen Sammlungsstücke das oder die jeweils am besten geeigneten Verfahren zur 3D-Digitalisierung einzusetzen. Neben einer Auswahl von Objekten aus Sammlungen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften und darauf bezogenen Forschungsinteressen wird derzeit parallel die Sammlung von Schiffspropellermodellen des Instituts für Land- und Seeverkehr der TU Berlin im Rahmen einer Untersuchung der Machbarkeit und der dabei zu bewältigenden Aufgaben komplett dreidimensional erfasst.
Die Digitalisierung als solche – also die initiale Erstellung von Scans – ist dabei nur ein erster Schritt: Um die Digitalisate zugänglich machen zu können, muss eine geeignete Online-Präsentation zur Verfügung stehen, mit welcher diese visualisiert und über die eindeutige Verbindung und Darstellung mit den dazugehörigen Metadaten hinaus so gespeichert und dargestellt werden, dass die wissenschaftliche Arbeit unterstützt wird. In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, dass 3D-Digitalisate oft für die Online-Darstellung aufbereitet werden müssen, da die Dateigrößen mitunter deutlich über das Maß hinausgehen, das online und in Echtzeit ohne Einbußen interaktiv darstellbar ist. Die Darstellung mit Hilfe eines Online-3D-Viewers muss zudem um die Langzeitsicherung der zumeist umfangreicheren Rohdaten ergänzt und mit diesen verknüpft werden.
Parallel zur eigentlichen 3D-Digitalisierung wurde und wird daher ein Online-Viewer entwickelt, mit dem die im Pilotprojekt digitalisierten Sammlungsstücke interaktiv betrachtet werden können. Durch eine Reihe von Optionen und Werkzeugen ergänzt dieser 3D-Viewer die einfache Abbildung um Darstellungsmöglichkeiten, welche die wissenschaftliche Nutzung unterstützen. Die Entwicklung dieses Viewers berücksichtigt dabei unter anderem Fragestellungen, die von Kollegen der verschiedenen Sammlungen formuliert wurden.
Anhand der wegen ihrer unterschiedlichen Größe, geometrischen Komplexität und Oberflächenbeschaffenheit ausgewählten Objekten werden im Folgenden die Eigenschaften und Möglichkeiten der bisher zur Verfügung stehenden Scantechnologien vorgestellt und die Besonderheiten des jeweiligen Scans beleuchtet – auch im Kontext von Forschungsfragen. Insbesondere extreme Oberflächeneigenschaften wie starke Reflexion, sehr dunkle Farbigkeit, Transluzenz oder eine sehr komplexe Objektgeometrie, stellen große Herausforderungen für optisch basierte Scanverfahren wie den Strukturlichtscan dar. Teilweise wurden Scans mit mehreren Verfahren durchgeführt, um die jeweils erreichbaren Datenqualitäten vergleichen zu können und gegebenenfalls die Vorteile der verschiedenen Technologien in ihrer Kombination nutzen zu können. Sowohl die im Rahmen des Pilotprojektes erstellten Scans als auch die entwickelten Darstellungsoptionen des ZE3Dview werden laufend ergänzt und aktualisiert.
Die Qual der Wahl – welche Scantechnologie ist für die jeweilige Anwendung am besten geeignet?
Eine wesentliche Frage stellt sich gleich zu Beginn eines jeden Scanprojektes: Welches Verfahren ist für die beabsichtigte Anwendung am besten geeignet? Hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit und anderer Eigenschaften unterscheiden sich die Verfahren teilweise sehr deutlich voneinander, weshalb diese mit der beabsichtigten Verwendung der Daten – und auch gegenüber den Kosten abzuwägen sind. Während für eine Anwendung oder Forschungsfrage eine hohe Detailgenauigkeit benötigt wird, stehen an anderer Stelle Informationen über den inneren Aufbau oder die farbliche Textur im Vordergrund. Im ersten Beispiel stellte sich diese Frage anhand des Scans von fünf Rollsiegeln aus der Sammlung des Instituts für Vorderasiatische Archäologie der Freien Universität Berlin. Die zwei bis drei Zentimeter langen Objekte wurden sowohl mit dem Streifenlichtscanner (SmartScan/Hexagon) als auch mit dem Mikro-Computertomographen (Nanotom M/Waygate Baker Hughes) der ZE3D gescannt und für die Online-Präsentation im ZE3Dview aufbereitet.

Der Mikro-Computertomographie wurde für die hier gegebene Anwendung nach einem Vergleich der Ergebnisse und des Aufwandes gegenüber dem Streifenlichtscan der Vorzug gegeben, obwohl mit dem µCT keine Informationen über farbliche Oberflächentexturen erfasst werden können. Mittels einer Kalibrierung auf ein geeignet kleines Messfeld lassen sich Streifenlichtscanner zwar ebenfalls für die Messung auch kleiner Objekte einsetzen (in diesem Fall wird die gleichbleibende Anzahl von Messpunkten des Scanners auf einen sehr kleinen Bereich konzentriert). Ausschlaggebend war in diesem Fall neben der Notwendigkeit einer sehr feinen Auflösung jedoch die Möglichkeit, mit einer Mikro-Computertomographie sämtliche Details des gesamten Volumens zu erfassen und dadurch insbesondere Bohrungen und Hohlräume genau abzubilden. Dies war ein explizites Interesse der Arbeitsgruppe, um anhand dessen Produktionsweisen dieser Sammlungsobjekte untersuchen zu können. Zudem ließen sich mehrere Objekte in einem Scanvorgang gleichzeitig erfassen, was die reine Scanzeit und den damit verbundenen Aufwand reduzierte. Es erwies sich als weniger aufwendig, die Objekte nach einem gemeinsamen Scan (Abb. 2) in einzelne Dateien zu separieren, als für jedes Objekt einen eigenen Scan durchzuführen.

Im Vorfeld der Scans war auch der Wunsch geäußert worden, Bohrungen darstellen und untersuchen zu können. Dieser Wunsch floss einerseits in die Auswahl des Scanverfahrens ein. Andererseits wurde der Online-3D-Viewer ZE3Dview um eine modifizierte Option für die Darstellung von Schnitten ergänzt, die sich für andere Anwendungen bereits in der Entwicklung befand. Der Scan mit dem µCT ermöglichte es, auch die Wände der Bohrungen zu erfassen, was mit optischen Scannern bei Bohrungen mit Durchmessern von lediglich wenigen Millimetern nicht möglich ist. Beim µCT ist andererseits technisch bedingt die Erfassung der Farbigkeit der Oberflächentextur nicht gegeben: Diese muss aus Scans mit anderen Verfahren ergänzt, oder – wie in diesen Beispielen – künstlich generiert werden. Zu diesem Zweck wurde anhand von Materialbeispielen eine digitale Textur gestaltet, die derjenigen der jeweiligen Objekte zwar nahekommt, diese jedoch nicht abbildet.

Des Weiteren wurde eine Option entwickelt, mit der sich digital erzeugte Abrollungen der Siegel darstellen lassen. Diese könnten zukünftig im ZE3Dview entweder als Bild oder ebenfalls als Objekt in die Darstellung der einzelnen Rollsiegel integriert werden. Rollsiegel wurden beim Siegeln abgerollt und erzeugten so das Bildmotiv des flachen Siegels. Durch die virtuelle Abrollung lassen sich die negativen Motive auf der zylindrischen Oberfläche mit der positiven Prägung des damit hergestellten Siegels direkt vergleichen. Solche Darstellungen oder Animationen könnte man in Forschung, Lehre und Öffentlichkeitsarbeit verwenden wären, um eine bessere Vorstellung von den Sammlungsobjekten zu vermitteln.


Abb. 4 a & b: Vorschau: Ansicht einer virtuellen Abrollung anhand des µCT-Scans
(Moortgat-Correns 1964, Kat. 98; FUB-VAA 99)). Screenshots: ZE3D
Verwendung von 3D-Daten für die Online-Präsentation
Während für die eigentliche Untersuchung und Erforschung von Objekten zumeist eine möglichst hohe Detailliertheit benötigt wird, muss für eine flüssig laufende interaktive 3D-Onlinedarstellung die Dateigröße eher gering gehalten werden. Bei 3D-Visualisierungen für die interaktive Online-Darstellung größerer Objekte oder von Objekten, die mit sehr hoher Auflösung digitalisiert wurden, ist also abzuwägen, wie weit der Detailgrad reduziert werden kann, ohne zu viele Informationen zu verlieren. Der 3D-Scan eines Landschaftsmodells, der im Folgenden vorgestellt werden soll, macht deutlich, welche Überlegungen dabei eine Rolle spielen. Zwar kann in der Online-Darstellung im ZE3Dview bislang der hohe Detailgrad des im Folgenden beschriebenen Scans eines Landschaftsmodells online noch nicht interaktiv reproduziert werden. Dafür hat diese Darstellung gegenüber einer Fotografie jedoch den großen Vorteil, dass sie weitergehende Optionen, wie etwa die Simulation von Lichtverhältnissen ermöglicht. Die dreidimensionale Digitalisierung erreicht also nicht zuletzt dadurch einen über eine reine Abbildung hinausgehenden Mehrwert, dass sie um verschiedene interaktiv nutzbare Werkzeuge ergänzt werden kann.
Beispielhaft wurde aus dem Bestand des Geographischen Instituts der Humboldt-Universität zu Berlin ein topographisches Modell der Region um Markirch mit dem Fluss Leber in den Vogesen / Lothringen (um 1914) gescannt und für die Online-Präsentation im ZE3Dview aufbereitet.


Gescannt wurde das Modells mit dem mobilen Handscanner (Artec Leo) der ZE3D. Durch die Verwendung von originalem Kartenmaterial beim handwerklich sehr präzisen und aufwendigen Aufbau dieses Landschaftsmodells ist insbesondere dessen farbliche Textur sehr fein detailliert.


Abb: 7 a und b: Modell der Region um Markirch mit dem Fluss Leber in den Vogesen/Lothringen im ZE3Dview mit zwei verschiedenen Lichtsimulationen. Screenshots: ZE3D
Bei der Generierung einer online verfügbar zu stellenden Datei für ein in Relation zum Detailgrad relativ großes Objekt muss daher abgewogen werden, inwieweit gegebenenfalls bei der Abbildungsgenauigkeit Abstriche gemacht werden können, um die interaktive Berechnung der Darstellung online flüssig ablaufen lassen zu können.
Bisher ist im ZE3Dview die Beleuchtung neutral oder mit einem intuitiv frei setzbaren Sonnenstand möglich. Für derartige Objekte ist zukünftig die Darstellbarkeit der Lichtverhältnisse anhand eines nach Datum und Uhrzeit einstellbaren Sonnenstandes sinnvoll und wünschenswert. Technisch ist dies möglich und eine Weiterentwicklung des ZE3Dview geplant.
To be continued / Fortsetzung folgt…
OpenEdition schlägt Ihnen vor, diesen Beitrag wie folgt zu zitieren:
Joachim Weinhold (8. April 2025). Zur 3D-Digitalisierung ausgewählter Beispiele aus wissenschaftlichen Sammlungen der Berlin University Alliance – Werkstattbericht (Teil 1). Digitales Netzwerk Sammlungen. Abgerufen am 14. Juni 2025 von https://doi.org/10.58079/13pni