3D-Modelle mit handelsüblichen Smartphone und Tablets erstellen

Stell dir vor: Es ist so einfach, ein 3D-Modell mit dem Smartphone oder Tablet zu erstellen, dass Kundinnen und Kunden nicht nur ein Foto, sondern ein qualitativ hochstehendes und preisgünstiges 3D-Modell eines Objekts oder eines Raums liefern.

Ein Verpackungshersteller könnte damit eine perfekt passende und schützende Verpackung produzieren.
Das Marketing hätte gleich realistische Visualisierungen zur Hand.
Eine Werkstatt könnte den Zustand oder die Qualität dieses Objektes beurteilen.
Immobilienmaklerinnen und -makler würden direkt eindrückliche Verkaufsdokumentationen erstellen.
Und so weiter.

Die Einsatzmöglichkeiten solcher 3D-Modelle wären riesig.

Im Internet wird viel für Apps geworben, die versprechen, damit im Handumdrehen ein perfektes 3D-Modell zu erzeugen,

Aber: Geht das wirklich so einfach?

Ziel des Versuches

Ich wollte herausfinden, wie alltagstauglich die Erstellung von 3D-Modellen mit gewöhnlichen Geräten tatsächlich ist.
Konkret interessierte mich drei Fragen:

• Wie gut lassen sich mit handelsüblichen Smartphones oder Tablets/iPads 3D-Modelle erstellen?
• Wie genau sind diese 3D Modelle in Bezug auf deren Abmessungen?
• Wie schwierig und aufwändig ist es, ein gutes 3D Modell zu erstellen? Kann dies einer Kundin oder einem Kunden zugemutet werden?

Dazu werden bewusst keine professionellen oder neueste High-End-Geräte eingesetzt.
Das Objekt wird in seiner ganz normalen Umgebung aufgenommen – etwa in einem Park unter Bäumen, auf einem Parkplatz, am See oder auf einem Stuhl in der heimischen Stube.
Zusätzliche Hilfsmittel wie spezielle Beleuchtungen oder Leitern waren nicht erlaubt.

Eingesetzte Technologien

Erst mal etwas Hintergrundwissen:
Für die Erstellung von 3D Modellen im Mobile oder Tablet Bereich werden zwei Technologien eingesetzt: Photogrammetrie und LiDAR.

Photogrammetrie
Hier werden aus normalen Fotos dreidimensionale Modelle erstellt. Dazu nimmt man viele überlappende Bilder eines Objekts aus möglichst vielen verschiedenen Blickwinkeln auf. Spezialisierte Algorithmen erkennen in diesen Fotos gemeinsame Merkmale, berechnen deren Position und Orientierung – und erzeugen daraus ein «präzises» 3D-Modell.
Meistens findet die Berechnung nicht direkt in der App auf dem Gerät, sondern in einer Cloud des App-Anbieters statt.
Da dafür lediglich eine Kamera benötigt wird, sind passende Geräte preiswert und überall zu finden (z.B. Smartphone oder Tablet).

LiDAR (Light Detection and Ranging)
Ein LiDAR Gerät sendet Laserimpulse aus und misst die Zeit, bis das reflektierte Licht zurückkehrt, um dessen Entfernung zu berechnen. Aus Millionen solcher Messungen entsteht eine «präzise» 3D-Punktwolke der Umgebung.
Die Verarbeitung der Daten erfolgt auch hier lokal in der App oder in einer Cloud.
Geräte mit LiDAR sind schwieriger zu finden. Vor allem Apple unterstützt seit ca. 2020 mit seinen iPhone-Pro-/ oder iPad-Pro-Modellen diese Technik. Es gibt nur wenige andere Hersteller, welche nicht-professionelle LiDAR Geräte anbieten.

Tests

Nach der Theorie kam die Praxis: Ich wollte wissen, wie gut aktuelle 3D-Scan-Apps wirklich funktionieren.

Eingesetzte Apps

Im Internet gibt es unzählige Apps, mit denen sich 3D-Modelle erstellen lassen.
Basierend auf verschiedenen Testberichten habe ich folgende ausprobiert: Polycam, Kiri, Scaniverse und MagicScan 3D.

Während der Aufnahme geben die meisten Apps (mehr oder weniger) hilfreiche Tipps, wie das Modell besser gelingt. Vor allem Hinweise aus welchem Winkel noch nicht viele Fotos gemacht wurden, sind nützlich.

Sind alle Fotos gemacht geht es weiter zum 3D-Modell. Je nach ausgewähltem Preismodell der App dauert dies ein paar Minuten bis einige Stunden.

Sobald das 3D-Modell fertig ist, kann es in einem integrierten Viewer oder Editor, oder sogar im Browser betrachtet werden. Dort stehen verschiedene weitere Funktionen zur Verfügung, zum Beispiel zum Drehen, Verändern oder Skalieren des Modells.
In meinem Test erwiesen sich jedoch nur wenige dieser Funktionen als wirklich nützlich: Das Rotieren des Modells zur besseren Ansicht und das Skalieren der Abmasse (mehr dazu später). Viele weitere Funktionen wirkten eher wie Spielereien und brachten für mich keinen Mehrwert – oder ich habe ihren Zweck nicht verstanden.

Jede App hatte Situationen, in denen sie gute und weniger gute Resultate lieferte, jedoch überzeugte keine in allen Situationen. Da es relativ häufig neue Features und Verbesserungen in den Algorithmen gibt, werde ich hier keine Bewertung abgeben.

Eingesetzte Geräte

Für den Praxistest habe ich zwei Geräte mit unterschiedlicher Ausstattung verwendet: Ein neues Smartphone aus dem günstigen Segment und ein älteres iPad aus der Oberklasse – beides Geräte, welche bei den Kunden «rumliegen» könnten.

• Mobile Motorola Edge 50 Neo (ca. 250.-) – unterstützt Photogrammetrie
• iPad Pro, 3. Generation (2021) (ca. 1’000.-) – unterstützt Photogrammetrie und LiDAR

Testbilder

Um die Apps richtig auf die Probe zu stellen, habe ich ganz unterschiedliche Objekte gescannt – vom kleinen Bleistiftspitzer über Velos bis zu grossen Segelschiffen.
Hier folgt eine Auswahl typischer 3D-Modelle mit kurzen Kommentaren zu den Ergebnissen.

	Bleistiftspitzer mit LiDAR Spiegelnde Flächen und Kanten nicht erkannt und völlig verzogen. Ein typisches Resultat beim Erstellen eines ersten 3D-Modells. Ca. 5 Minuten lang gescannt. Unbrauchbar.
	Bleistiftspitzer mit Photogrammetrie Spezielle Option zum Erkennen von spiegelnden Flächen aktiviert 3 Minuten lang gefilmt ca. 100 Bilder. Nach ein paar Versuchen: Gutes 3D-Modell
Auto mit Photogrammetrie Spiegelnde Flächen und Glas nicht erkannt. Ca. 5 Minuten lang gescannt, ca. 100 Bilder. Unbrauchbar.
Auto mit Photogrammetrie Spezielle Option zum Erkennen von spiegelnden Flächen aktiviert Ca. 3 Minuten lang gefilmt, ca. 120 Bilder. Scheiben, Türgriff, Rückspiegel und Dachreling gut erkannt Ein gutes 3D-Modell
	Krankorb mit LiDAR Kanten und Geländer nicht richtig erkannt. Teilweise Äste und Büsche aus dem Hintergrund mit dem Objekt verschmolzen. Ca 15 Minuten lang gescannt. Teilweise brauchbares 3D-Modell
	Krankorb mit Photogrammetrie 3 Minuten lang gefilmt, ca. 150 Bilder. Geländer gut erkannt Gutes 3D-Modell
Schiff im Wasser mit Photogrammetrie aus ca 10m gescannt. Grosse Strukturen gut erkannt. Ca. 3 Minuten lang gescannt. Reling, Geländer und Streben nicht erkannt Teilweise brauchbares 3D-Modell

Was gut funktioniert hat

• Generelle Formen: Die Grundstruktur der Objekte wurde von allen getesteten Apps mehr oder weniger zuverlässig erkannt.

• Genauigkeit im 3D-Modell: Das Verhältnis von Länge, Breite und Höhe war erstaunlich genau. Einzelne Kantenlängen, die direkt aus dem 3D-Modell gemessen wurden, waren jedoch meistens sehr ungenau (einige Faktoren daneben). In den 3D Editoren kann die tatsächliche Länge einer Kante angegeben werden, so dass das restliche Modell automatisch skaliert wird. Nun liessen sich beliebige Strecken im Modell messen, die in der Regel plus/minus ein paar Zentimeter genau waren – abhängig von der Grösse des Objekts.

• Feedback-Loop bei LiDAR:
  Bei der Bedienung hatten LiDAR-Apps klar die Nase vorn. Sie markierten während des Scans die bereits erfassten Flächen auf dem Bildschirm, sodass Lücken sofort erkannt und geschlossen werden konnten. Leider wurden diese, bei der anschliessenden Erstellung des 3D-Modells, nicht immer berücksichtig.

• Photogrammetrie-Qualität: Bei guten Lichtverhältnissen und vielen(!) Fotos entstanden sehr viel detailreichere Modelle – mit Haken, Ösen und feinen Strukturen, die präziser als LiDAR waren. Besonders die Spezialmodi einiger Apps, etwa für glänzende Oberflächen, verbesserten das Resultat gewaltig.

Wo die Knacknüsse liegen

Auch wenn einige 3D-Modelle beeindruckend wirken, gibt es einige typische Schwierigkeiten, auf die man vorbereitet sein sollte.

• Glänzende und transparente Oberflächen: Materialien wie Chromstahl, Glas oder spiegelnde Lacke stellten sowohl Photogrammetrie als auch LiDAR vor grosse Probleme. Sie wurden häufig falsch interpretiert oder sogar nicht erkannt.

• Feine Details fehlen: Geländer, dünne Streben, Seile oder kleine Haken wurden nur schwer erfasst. Bei Objekten solchen Details fehlten diese oft vollständig, wodurch, je nach Verwendung, das ganze Model unbrauchbar wurde.

• Feedback-Loop bei Photogrammetrie: Nach der Aufnahme vieler Fotos erfolgte die Berechnung oft in der Cloud. Das Ergebnis lag oft erst nach Minuten bis Stunden später vor. Ist das Modell unbrauchbar, muss man komplett von vorne beginnen – das kann frustrierend sein und Zeit kosten.

• Skalierung: Um verlässliche Masse zu erhalten, müssen die Modelle nachträglich skaliert werden. Dazu benötigt man eine bekannte Referenzlänge. Ich versuchte zum Beispiel, einen Zollstock ins Bild zu legen – doch bei der Berechnung des 3D-Modells wurde dieser oft auch verzerrt, sodass er als Referenz unbrauchbar war.

• Aufwand: Die Erstellung guter 3D-Modelle kann durchaus knifflig und zeitaufwendig sein. Mit etwas Erfahrung und Vertrautheit mit der App lassen sich genügend Fotos in wenigen Minuten zusammenstellen. Ein Kunde, der dies zum ersten Mal macht, muss jedoch damit rechnen, den Vorgang ein paar Mal wiederholen zu müssen. Je nach Grösse des Objekts kann der gesamte Aufwand bis zu 30 Minuten betragen.

Fazit

Meine erzeugten 3D-Modelle waren teilweise schon recht genau. Wer «nur» die Grundformen eines Objekts benötigt, kann bereits jetzt damit arbeiten. Wem jedoch Details wie Geländer, Streben oder feinere Elemente wichtig sind, dem reichen die heutigen Methoden für einen Feldeinsatz noch nicht aus.

Es ist nach wie vor nicht einfach, ein gutes 3D-Modell zu erstellen. Viele Faktoren spielen eine Rolle: Objektgrösse, Material, Lichtverhältnisse, Wetter, Platz um das Objekt, Kamera –  und vor allem die Erfahrung der Person, die scannt.

Die Entwicklung geht jedoch schnell voran. Immer mehr Apps bieten einstellbare Optionen, die die Qualität der 3D-Modelle deutlich verbessern.

Wer die Detailtiefe zu gering oder den Aufwand zu hoch findet, sollte in sechs bis zwölf Monaten einen weiteren Versuch starten. Vielleicht sind bis dahin viele der aktuellen Probleme bereits gelöst.

Originalfoto Das Schiff steht auf einem Anhänger unter einem Dach. Es hat grosse glänzende Flächen, eine chromstählerne Reling und viele dünne Streben.	3D-Modell mit LiDAR Grundform erkannt, Flächen und Formen stimmen Reling und Streben werden nicht erkannt