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3D-Digitalisate in md auch für kleine Museen - Ein Erfahrungsbericht

2024-11-19T00:00:00+00:00

Ein Beitrag von Marleen Schindler, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Sorbischen Institut Bautzen

Wenn Exponate aus kleinen Heimatstuben oder umfangreichen städtischen Sammlungen unabhängig von Zeit und Ort von Interessierten bequem von zu Hause gefunden und interaktiv von allen Seiten betrachtet werden können, ist das sicher ein großer Mehrwert für eine nutzerfreundliche Museumslandschaft. Möglich wird das beispielsweise durch 3D-Digitalisierung und Veröffentlichung von Objekten über museum-digital. Doch 3D-Projekte schrecken ab, benötigen sie doch oft Zeit und Ressourcen, die in den meisten Museen nicht fest eingeplant sind. Besonders finanzielle Fragen stehen den ersten Schritten auf dem Weg zu 3D-digitalisierten Objekten oft im Wege. Müssen Sie aber nicht!

Niedrigschwellige 3D-Lösungen

Inzwischen gibt es gute Lösungen, um mit wenig finanziellem Aufwand 3D-Modelle von Objekten zu erstellen und sie zu veröffentlichen. Ein möglicher Weg soll hier knapp skizziert werden und dabei aufzeigen, dass 3D Technik durch museum-digital niedrigschwellig zugängig ist.

Im Rahmen eines Drittmittelprojektes zur fotografischen Erfassung der Sammlung von Lotar Balke stand das Sorbische Institut Bautzen vor einem ähnlichen Problem. Etwa 2000 Sorbische Ostereier sollten fotografiert und mit Hilfe von museum-digital Schritt für Schritt dokumentiert werden (Ostereiersammlung, in Bearbeitung). Die so geschaffenen Metadaten sollen zukünftig in das Sorbische Kulturregister fließen. Die Anschaffung teurer 3D-Technik war im Projekt jedoch nicht vorgesehen. Trotzdem hielten wir es in Hinblick auf die Entwicklungen im Bereich 3D-Digitalisierung für sinnvoll, zumindest einige dreidimensionale Digitalisate anzufertigen und Workflows zu erproben.

Teure Technik – woher nehmen, wenn nicht stehlen?

Der Markt für 3D-Technik ist in den letzten Jahren stark gewachsen und die verschiedenen angebotenen Geräte reichen über kostengünstige 360 Grad Kameras für Social Media-Anwendungen bis hin zu professionellen Großgeräten für mehrere zehntausend Euro. Die Mitarbeitenden musealer Sammlungen sehen sich damit einem unübersichtlichen Angebot verschiedener Ansätze zur dreidimensionalen Abbildung der physischen Welt gegenüber. Um sich intensiv in die dahinterstehende Technik einzuarbeiten und informierte Entscheidungen zu den eigenen Bedarfen zu fassen, reicht oft die Zeit nicht aus. Trotzdem werden die Anforderungen an die Digitalisierungsvorhaben von Museen und Archiven immer höher.

Umso erfreulicher ist es, dass in urbanen Räumen nach und nach Orte entstehen, die den Zugang zu moderner Technik vereinfachen. Diese Orte laufen oft unter englischen Namen, die auf den Mitmach-Charakter verweisen. So gibt es in Dresden einen Makerspace, in Cottbus das CreativeOpenLab (COLab), in Bautzen den Coworking- und Makerspace Tagwerk. Ihr Ziel ist es, Menschen kostenlos oder für wenig Geld zu ermöglichen, Projekte selbst umzusetzen, für die andernfalls teure Geräte angeschafft werden müssten. Von den Trägerinstitutionen wird ein gemeinsam genutzter Maschinenpark aufgebaut. Das fördert Nachhaltigkeit und Skillsharing im Gegensatz zu individuell angeschaffter Technik.

Im Makerspace der SLUB Dresden gibt es mehrere 3D-Scanner, die nach einer digitalen Arbeitsschutzschulung und einer technischen Einweisung vor Ort von den Nutzer:innen der SLUB kostenlos verwendet werden können. Die technische Einweisung vermittelt wichtige Grundkenntnisse zum Thema 3D-Scan und bietet die Möglichkeit, unter Anleitung eigene Objekte zu scannen und am Computer nachzubearbeiten. Für unsere Ostereier wurde uns der 3D-Scanner Artec Spider empfohlen. Dabei handelt es sich um ein handgehaltenes Gerät, das besonders für kleine Objekte geeignet ist und Details sehr gut abbilden kann. In vier Sitzungen konnten ohne weitere Vorkenntnisse 16 3D-Scans von Sorbischen Ostereiern unterschiedlicher Größe angefertigt werden. Dabei wurde der Scanner zusammen mit dem zugehörigen Drehteller genutzt. Das Ei wurde mit einem Ständer mittig auf dem Teller platziert. Beim Start des Scans beginnt dieser Teller automatisch, sich zu drehen und der Scanner muss nur noch gleichmäßig von oben nach unten bewegt werden. Am Computer kann in Echtzeit nachverfolgt werden, welche Bereiche gerade erfasst werden.

Um ein vollständiges Modell zu erhalten, ist es je nach Objekttyp bei dieser Scanmethode notwendig, mindestens zwei Aufnahmen zu machen und das Objekt zwischendurch auf die zuvor nicht sichtbare Seite zu drehen. So können die zwei Aufnahmen am Computer zu einem kompletten Modell zusammengefügt werden. Die Nachbearbeitung am Computer ist damit unbedingt notwendig und ist im Vergleich zum Scan, der nur etwa fünf Minuten benötigt, relativ zeitaufwändig. Für die Ostereiermodelle wurde eine halbe bis etwa eine Stunde Zeit für die Nachbearbeitung pro Ei benötigt. Danach kann das Modell im benötigten Format exportiert und gespeichert werden.

Verarbeitung von 3D-Daten

Wer noch nie zuvor mit 3D-Dateien gearbeitet hat, steht an dieser Stelle vor einer herausforderungsvollen Frage: welches Dateiformat brauche ich überhaupt? Für den Upload bei museum-digital wird ein .zip-Archiv verwendet. Darunter versteht man ein komprimiertes Dateiformat, in dem mehrere Dateien (wie mit einem Reißverschluss, engl. „zipper“) zusammengefasst werden können. Darin muss mindestens eine obj. Datei enthalten sein. Das „Object“-Format ist derzeit eines der Standard-Formate für 3D-Modelle. Meist werden darin nur die 3D Informationen gespeichert, nicht aber die Oberflächenfarbe des Objektes, die sogenannte Textur. Texturen werden dann separat in Form eines Bildes im .jpeg-Format abgespeichert. Um 3D-Datei und Textur zusammenzubringen bedarf es des Mappings, also einem Vorgang, der das zweidimensionale Bild über das dreidimensionale Objekt legt. Man kann sich das vorstellen, als würde man einen Teig in Frischhaltefolie einpacken. Dazu werden allerdings zusätzliche Informationen benötigt, die separat in einer .mtl-Datei (material template library) gespeichert werden.

Damit die Verarbeitung funktioniert, sind in den Dateien Bezüge zueinander eingeschrieben. Verändert man nachträglich die Dateinamen, ist es wichtig, auch die Bezüge in den Dateien zu ändern. Andernfalls laufen die Befehle ins Leere und man wundert sich, warum man auf einen schwarzen Bildschirm schaut, anstatt das 3D-Modell zu sehen. Das Ändern der Bezüge lässt sich einfach im Texteditor erledigen. Sowohl die .mtl- als auch die .obj-Datei lassen sich damit öffnen. Angezeigt werden dann plain text Informationen, die zwar wenig verständlich, aber menschenlesbar sind. Meist gleich zu Beginn werden die Bezugsdateien ausgezeichnet, deren Namen man einfach ändern kann. Wenn alle Bezüge stimmen, kann das .zip-Archiv erstellt werden. Unter Windows funktioniert das einfach per Rechtsklick und „komprimieren in…“. Das Archiv bekommt automatisch den Namen der ersten ausgewählten Datei und sollte unbedingt mit dem Namen der .obj-Datei übereinstimmen.

Veröffentlichung mit museum-digital

Für die Veröffentlichung über museum-digital wird das Objekt wie gewohnt angelegt und mit Basisdaten versehen. Anschließend wird im Reiter „Ansicht“ die Schaltfläche „3D-Objekt“ ausgewählt. Eine Eingabemaske öffnet sich und man erhält die Möglichkeit, eine Datei vom lokalen Speicher auszuwählen. Hierfür sollte das zip-Archiv verwendet werden. Je nach Hardware und Internetverbindung kann es einen Moment dauern, bis der Upload und die Verarbeitung fertiggestellt sind. In jedwedem Fall zeigt sich, wenn man alles richtig gemacht hat, das fertige 3D-Modell vor schwarzem Grund. Es kann in alle Richtungen gedreht und vergrößert werden. So werden es auch die Nutzerinnen und Nutzer von museum-digital sehen. Am linken Seitenrand können außerdem Informationen zum Rechtestatus des Modells eingestellt werden. Ratsam ist auch die Wahl eines geeigneten Vorschaubildes. Der Upload funktioniert ähnlich wie bei herkömmlichen Fotos. Eine einfache Lösung für ein ansprechendes Vorschaubild könnte zum Beispiel ein Screenshot des 3D-Modells im Viewer von museum-digital sein. Fotos des Objektes sind nur dann als Vorschaubild zu empfehlen, wenn sie nicht ohnehin als Ansichten zusätzlich zum Modell zur Verfügung stehen. Ist das hingegen der Fall, kann man das 3D-Modell in der Vorschauansicht nicht deutlich genug von den anderen Fotos unterscheiden, denn es wird dort gemeinsam mit den Fotos angezeigt.

Last but not least: Vernetzen!

Wenn das fertige 3D Modell veröffentlicht ist, darf man gern ein bisschen stolz sein – und es unbedingt auch zeigen! Der 3D-Viewer, den museum-digital kostenfrei und niedrigschwellig zur Verfügung stellt, ist ein großer Gewinn, wenn es darum geht, museale Sammlungen digital verfügbar zu machen. Ermutigen Sie gern auch andere Institutionen, die Technik auszuprobieren und geben Sie Ihre Erfahrungen weiter. Natürlich bleiben auch Probleme bei der Erprobung neuer Workflows nicht aus. Bei Fragen oder technischen Herausforderungen steht Ihnen das Team von museum-digital gern unterstützend zur Seite. Auch die Vernetzung mit anderen Institutionen, die bereits 3D-Modelle veröffentlicht haben, kann helfen, Schwierigkeiten aus dem Weg zu räumen. Damit die Angebote genutzt werden, können Sie Ihre Besucherinnen und Besucher auf Ihre digitalen Angebote aufmerksam machen und zum Stöbern auf Ihren Plattformen einladen.

Tech-Insides: Hinter den Kulissen einer AR-Anwendung

2023-07-31T00:00:00+00:00

*Ein Beitrag von Catherine Heyart, Julien Letellier, Katrina Rizakova und Elisabeth Thielen*

Die Forschungsgruppe INKA der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin arbeitet seit 1999 am Schnittpunkt zwischen Informatik und Kultur. INKA steht für Informations- und Kommunikationsanwendungen. Seit über 20 Jahren arbeitet die Gruppe in verschiedenen Drittmittelpro- jekten und mit unterschiedlichen Kooperationspartnern, wie Museen, Konzerthäusern und anderen Kultureinrichtungen. Der Fokus liegt auf dem Schaffen von innovativen Zugängen zu Kultur und kulturellen Inhalten unter der Verwendung moderner Technologien.

Beispielsweise entstand 2019 in Kooperation mit dem Museumsverband Brandenburg anlässlich der Feierlichkeiten zur Wiedervereinigung eine augmentierte Broschüre sowie augmentierte Postkarten, die 3D-Scans von Objekten verschiedener Brandenburger Museen zeigen. Daran anschließend sollte für die Sonderausstellung “Bühnenwelten. Eine immersive Ausstellung zu Bühnenmodellen” des Kleist-Museums in Frankfurt (Oder) (Februar - August 2022) ein augmentierter Katalog sowie eine Begleitanwendung zur Nutzung direkt in der Ausstellung entwickelt werden. Grundlage der Anwendung waren die im Kleist-Museum vorhandenen Bühnenmodelle. Hier soll der Prozess der Anwendungsentwicklung geschildert werden.

Eingesetzte Technologien

Zunächst musste über den Grad der Immersion entschieden werden: Sollen Nutzer:innen noch ihre direkte Umgebung sehen können (Augmented Reality - AR) oder nicht (Virtual Reality - VR)? Während man mit VR in eine andere Welt eintaucht, kann man bei AR noch zusätzlich die Realität und die analogen Bühnenmodelle erleben, während auf dem Bildschirm zusätzliche Inhalte angeboten werden. Wir entschieden uns für eine Augmented-Reality-Anwendung.

Bei der Verwendung von Augmented Reality auf Mobilgeräten gibt es die Unterscheidung zwischen nativer App, die aus einem entsprechenden Store heruntergeladen und installiert werden muss, und webbasiertes AR, bei dem lediglich eine Website aufgerufen und dieser Zugriff auf die Smartphonekamera gewährt werden muss. Vorteile der nativen Anwendung ist, dass diese ohne Datenverbindung genutzt werden kann. Dagegen kann eine Web-AR-Anwendung ohne Installation einer App verwendet werden, benötigt dafür aber eine Internetverbindung. Da es für die Kataloganwendung und die Museumsanwendung unterschiedliche Anforderungen gab, wurden verschiedene Technologien genutzt.

Für die Museumsanwendung wurde eine native Anwendung gewählt. Um Probleme mit zu alten oder unterschiedlichen Smartphone- und Betriebssystemversionen zu verhindern und auch die Nutzeroberfläche auf eine bestimmte Bildschirmgröße ausrichten zu können, wurden im Museum Geräte mit der Anwendung für die Besucher:innen zur Verfügung gestellt. Nutzer:innen können so alle dasselbe erleben, ohne vorher eine Anwendung über ihre mobilen Daten herunterladen zu müssen. Es kann zudem auf eine regelmäßige Ladung der Geräte geachtet werden und Nutzer:innen müssen nicht fürchten, durch die Kamera-intensive AR-Anwendung den Akku ihres eigenen Smartphones zu entleeren.

Für die Kataloganwendung wurde hingegen eine webbasierte Anwendung gewählt. Diese kann unabhängig von der Ausstellung verwendet werden. Im Katalog soll ein Einblick in die Bühnenmodelle nicht nur in Form von Text und Bild, sondern auch via Augmented Reality möglich sein. Beim Scannen der einzelnen Seiten sollen in AR korrespondierende Bühnenmodelle in 3D zu sehen sein. Die Anwendung soll schnell angewandt werden können, ohne einen aufwändigen Download vorab. Die Anwendung wurde so konzipiert, dass möglichst wenig mobile Daten verbraucht werden. So wurden auf den Seiten des Katalogs eher Modelle mit reduzierter Polygonanzahl verwendet.

Vom analogen Bühnenmodell zur digitalen Erweiterung

Nun wurden von einigen Bühnenmodellen 3D-Modelle erstellt. Diese dienen dazu, Aspekte darzustellen, welche die Besucher:innen sonst nicht zu sehen bekommen würden. In einigen Fällen, wie z.B. im Kata- log, entsteht aus einem 2D-Bild mittels AR ein 3D-Modell, welches von unterschiedlichen Winkeln betrachtet werden kann. In der Ausstellung gibt es wiederum animierte 3D-Modelle, welche den Besucher:innen vorführen, wie sich die Bühnenmodelle während einer Vorführung verändern würden. Zur Umsetzung wurden die Techniken Box-Modellierung und Photogrammetrie genutzt.

Box-Modellierung

Die Box-Modellierung eignet sich am besten für statische Objekte, wie zum Beispiel Architektur und Möbel. Mithilfe einer Software, in der einfache geometrische Grundformen platziert werden, erstellt man ein Modell. Die Geometrie eines solchen Objekts in einer 3D-Software wird Mesh genannt und ist unterteilt in einzelne Polygone (Vielecke), die wiederum aus Kanten und schließlich Punkten bestehen.

Anhand eines Referenzbildes werden diese Polygone und deren Punkte mit unterschiedlichen digitalen Werkzeugen verändert – verformt, unterteilt oder verschoben –, bis schließlich die gewünschte Geometrie entsteht. Dieses Verfahren schafft viel Freiheit für Aussehen und Aufbau der Modelle. Sie können komplexe oder einfache Geometrien haben. In unserem Fall sind es bevorzugt kleine Datenmengen und unabhängige Teile, um diese später einzeln animieren zu können.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe Aufwand, da jedes Detail per Hand gebaut werden und auf viele Details geachtet werden muss, um fotorealistisch zu wirken. Während der Phase der Geometrieerstellung sind die Objekte noch farblos und werden anschließend texturiert - sie bekommen Farbe und Struktur. Hierzu werden unterschiedliche Bilder gesammelt und so Texturen erstellt. Sollen die Objekte animiert werden, müssen die zu animierenden Teile Frame für Frame – einzelne Bilder aus einer Animationssequenz – manipuliert werden. Spielt man diese Manipulationen später nacheinander ab, so entsteht eine flüssige Animation.

Photogrammetrie | Berechnung anhand von 1529 Fotos

Bei der Photogrammetrie werden erst aus unterschiedlichen Winkeln ganz viele Fotos des Bühnenmodells gemacht, welche anschließend mittels einer photogrammetrischen Software zu einem 3D-Modell zusammengefasst werden. In diesem Prozess werden die Geometrie (d.h. die Form) und die Textur (d.h. die Farbe und Muster) gleichzeitig erstellt. Das Vorgehen mit Photogrammetrie hat den Vorteil, dass sehr detaillierte und realitätsgetreue Modelle entstehen. Diese Art von Modellen eignet sich deswegen gut dazu, ein Gefühl von Immersion zu vermitteln. Photogrammetrisch erstellte Modelle haben jedoch den Nachteil, dass es sich um eine einzige zusammenhängende Geometrie handelt und sie sich somit nicht gut dazu eignen, animiert zu werden.

Ausblick

Aktuell ist für die Entwicklung der beschriebenen Anwendungen noch sehr viel technisches Know-How erforderlich. In den letzten Jahren hat es allerdings vermehrt Bestrebungen gegeben, diesen Prozess zu vereinfachen und auch Nutzer:innen ohne Programmierkenntnisse über ein Autorensystem zugänglich zu machen. Der Prozess ist vergleichbar mit der Erstellung einer einfachen persönlichen Website: Vor 20 Jahren war dies noch ein komplizierter Prozess, heutzutage kann jede:r mithilfe von Autorensystemen eigene Websites erstellen.

Verschiedene Prototypen solcher Autorensysteme wurden im Rahmen zahlreicher Forschungsprojekte der HTW Berlin bereits entwickelt und kontinuierlich erweitert. Die Augmentierungen im Katalog des Kleist-Museums können bereits durch Anwender:innen ohne Programmierkenntnisse zusammengestellt und getestet werden.

Anders sieht es jedoch bei der hier beschriebenen Ausstellungsanwendung aus. Diese bietet viele Interaktionen und Animationen, die sich bisher nur schwer ohne Programmierkenntnisse verwirklichen lassen. Eine wichtige Forschungsaufgabe besteht daher weiterhin in der Konzipierung von modernen Benutzungsschnittstellen und Werkzeugen für unterschiedliche Anwender:innen.