3D-Modellierung von Kunst und Kulturgütern – Chancen und Schwierigkeiten des Verfahrens

Fotogrammetrie kurz erklärt

Bei der Fotogrammetrie handelt es sich um eine Methode aus dem Bereich der Computer Vision. Die Technik ermöglicht es, Kunstobjekte als 3D-Modelle zu reproduzieren. Dazu wird eine Serie von digitalen 2D-Objekt-Fotografien verwendet. Die Aufnahmen werden anschliessend mithilfe einer Software weiterverarbeitet. Indem ein Objekt aus einer bestimmten Position (Standort der Kamera) und aus mehreren Winkeln fotografiert wird, werden Lage und Form indirekt berechnet, wodurch die geometrisch exakte und dreidimensionale Wiedergabe möglich wird. Je mehr Bildpunkte eines Objekts dem Programm zur Verfügung stehen, desto präziser kann ein Objekt reproduziert werden. Das Verfahren wird oft mit weiteren Techniken wie Laserscanning oder Radarmessungen ergänzt, um zusätzliche Daten zu generieren. Damit können Bilder, Reliefs, Skulpturen bis hin zu ganzen Räumen und Gebäuden erfasst werden. Was sind also die Chancen, wenn Kunst- und Kulturgüter als 3D-Digitalisate oder gar als generative 3D-Modelle reproduziert werden und welche Schwierigkeiten gehen damit einher?

Chancen durch die Fotogrammetrie

Die Fotogrammetrie ebnet den Weg zu neuem Wissen und ermöglicht eine neue Auseinandersetzung mit der Vergangenheit unserer Kulturgeschichte. Im Forschungsbereich bringt das Verfahren den grossen Vorteil, dass es im Vergleich zu anderen Methoden effizienter und kostengünstiger ist. Denn Modelle, die bis anhin oft in der industriellen Fertigung produziert wurden, waren durch die geringen Mengen und spezifischen Einzelteilen sehr viel teurer und komplizierter in ihrer Herstellung. Zusätzlich entfallen teure Transportkosten und die aufwändige Logistik. Wenn die Objekte einmal erfasst wurden, können deren Daten jederzeit neu berechnet und mit weiterem Bildmaterial ergänzt werden. So können die digitalen Modelle bei Neuentdeckungen problemlos erweitert werden. Dies bedeutet auch, dass sich die mit einer Reise verbundene Vorbereitungs- und Planungszeit sowie Reisekosten reduzieren, da die Objekte nicht mehr zwingend vor Ort erforscht werden müssen. Die Analyse erfolgt dadurch bequem vom Computer aus, ohne dass der räumliche Kontext verloren geht.

Die digitale Visualisierung bringt neue Erkenntnisse, da insbesondere umfangreiche Objekte als Ganzes besser verstanden werden können. Zusätzlich macht die Technik durch ihre Genauigkeit und die Vielansichtigkeit der Objekte oft Oberflächenmerkmale sichtbar, die dem blossen Auge entgehen würden oder nur bei einem bestimmten Lichteinfall zu sehen wären. So etwa Graffitis, welche in die Wände eingeritzt wurden. Der Kontrast zur Wand schwand über die Jahre, bedingt durch Staub oder Abnutzung. Allerdings erkennt die Kamera die Vertiefungen und kann diese visualisieren. Das Verfahren ist auch für Objekte nützlich, die nur schwer zugänglich sind, da es gut aus der Ferne angewandt werden kann, gerade wenn diese in einen räumlichen Kontext eingebunden sind. Bei zweidimensionalen Objekten wie Gemälden werden Orthofotos generiert, eine Reproduktion der Bildoberfläche mit höchster geometrischer Präzision. Dadurch wird der Pinselstrich topografisch und plastisch erfasst und kann genaustens analysiert werden. Dies ist bei der Suche nach Schäden oder Rissen im Bild ein grosser Vorteil. Daraus können aber auch Kenntnisse zu technischen Herstellungsverfahren gewonnen werden. Mithilfe der Fotogrammetrie können aber auch ganze Räume samt ihrer Textur (Farbigkeit) als digitales 3D-Modell wiedergegeben werden. Indem die Textur subtrahiert wird, kann sogar «unter die Textur» geblickt werden. Damit wird die topografische Form des Untergrundes freigelegt, wodurch Schäden erkannt werden können, ohne dass die Oberfläche tatsächlich entfernt werden muss. Die darunterliegenden Strukturen verraten zudem einiges über die Bau- und Herstellungsgeschichte. Aber auch bei der Retoure eines ausgeliehenen Objektes können Veränderungen gemessen werden. Das Objekt wird einfach erneut fotografiert und wird dann mit den vorherigen Aufnahmen verglichen. So kann das betroffene Objekt gezielt und frühzeitig restauriert werden.

Durch digitale Datenbanken können erfasste Objekte ausserdem vereinfacht miteinander verglichen werden. Folglich können verschiedene Hypothesen getestet und diskutiert werden. Aber auch die software-basierte Zusammenführung von Fragmenten als digitale Rekonstruktion wird so Realität. Diese Möglichkeiten erlauben also einen vollständigeren Gesamtüberblick über das zerstörte Objekt, wodurch der Wissenstand kompletter wird. Ein Beispiel sind ägyptische Nekropolen, deren Bestandteile meist weltweit verstreut in den unterschiedlichsten Museen liegen aber auch die beschädigten Fresken im Grab Sethos I. im Tal der Könige, mit denen sich unter anderem die Ägyptologie der Universität Basel auseinandersetzt. Die Grabanlagen wurden vor allem als Folge der «Ägyptomanie» massiv beschädigt. Die damaligen «Forschungsgruppen» versuchten mittels sogenannter Abklatsche die Malereien zu kopieren oder gar ganze Wandelemente herauszutrennen. Sehr oft zersprangen diese bei diesem fragwürdigen Unterfangen und blieben zerstückelt am Boden zurück. Die zerbrochenen Einzelelemente werden heute fotografiert und durch digitale Vergleichsmöglichkeiten wieder zusammengefügt. Somit können sie wieder in ihrem ursprünglichen Zustand sichtbar gemacht werden und geben weitere Aufschlüsse über das Gesamtwerk. Die Daten können also für die Restaurierungen oder Rekonstruktion hilfreich sein. Bevor an der eigentlichen Originalfläche eingegriffen wird, ist es möglich, mittels den 3D-Scans verschiedene Varianten zu testen. Restauratorische Eingriffe werden heute auf ein Minimum beschränkt und nur noch vorgenommen, wenn genügend Abklärungen gemacht wurden. Denn es handelt sich stets um eine Intervention, bei der wiederum andere Informationen verloren gehen oder verfälscht werden.

Nicht nur deshalb ist die Dokumentation essenziell. Das Generieren und Sammeln von Daten bedeutet, dass Kunstwerke digital archiviert werden können. Im Falle einer Zerstörung, könnten die Objekte in Zukunft immer noch im Zustand, in dem sie fotografisch festgehalten wurden, dreidimensional betrachtet und nachvollzogen werden. Dabei werden die exakten Masse, Farben und Formen überliefert, so dass zerstörte Kunst- und Kulturgüter theoretisch auch physisch reproduziert werden können. Mehr zu zerstörter Kunst kannst du im art24-Blog «3D-Rekonstruktion zerstörter/s Kunst, Kulturgüter und Kulturerbe» lesen. Mittels digitaler Rekonstruktionen können folglich schnell, unkompliziert und günstig physische Reproduktionen, Repliken oder Teilergänzungen produziert werden. Diese werden durch einen 3D-Drucker oder CNC-Fräsen realisiert. Auch im Ausstellungs- und Vermittlungskontext liefert das Verfahren neuartige und kreative Herangehensweisen. So können die Modelle online zugänglich gemacht oder als realisierte 3D-Kopien in Ausstellungen gezeigt werden; dadurch können sie auch angefasst werden, was bei einem Original undenkbar wäre.

Die Ägyptologie der Universität Basel arbeitet seit Jahren mit der Factum Foundation Madrid und der «Theban Necropolis Preservation Initiative» (TNPI), das von der Factum Foundation ausgebildete und geleitete ägyptische Team, zusammen. Letztere haben dieses Jahr die Aufnahme des gesamten Grabes von Seti I. abgeschlossen. Somit sind 21 Jahre vergangen, seit Factum seine Arbeit in Ägypten aufgenommen hat. Dies ist eine beachtliche Leistung. Durch diese Zusammenarbeit wurde 2017 im Antikenmuseum Basel eine Ausstellung durchgeführt. Mittels 3D-Scans und weiteren technischen Methoden, hat das Team Teile des Felsengrabs Sethos I. als exakte Faksimiles rekonstruiert und in die Ausstellung «Scanning Sethos. Die Wiedergeburt eines Pharaonengrabes» (2017) integriert. Die bemerkenswerte Säulenhalle E wie auch die «Hall of the Beauties» wurden im Massstab 1:1 nachgebaut.

Bild 1: Ausstellungsansicht von «Scanning Seti: Die Wiedergeburt eines Pharaonengrabes» (29. Oktober 2017 – 06. Mai 2018) im Antikenmuseum, Basel. Faksimile des Säulenraums J, erstellt von Factum Foundation, Foto: © Oak Taylor-Smith für Factum Foundation.

Elemente wurden einerseits in ihrem Ist-Zustand reproduziert, andererseits wurden aber auch Rekonstruktionsversuche unternommen, wodurch Besuchende beide Möglichkeiten der 3D-Modellierung erleben konnten. So erhielten diese einen Einblick in die Zeugnisse der Vergangenheit, ohne dafür tatsächlich nach Ägypten reisen zu müssen. Dies kommt insbesondere den originalen Grabstätten zugute, da Touristenströme verringert werden und weniger Schaden angerichtet wird. Das komplette Grab kann heute auch als virtuelle Tour besichtigt werden. Die Faksimiles sollen in Zukunft neben denen des Grabes Tutanchamuns, die 2014 eingangs zum Tale der Könige als Freiluftausstellung aufgestellt wurden, zu sehen sein.

Bild 2: Detail der Westwand von Raum I, Grab von Seti I. Schattierte Darstellung von Oberflächendaten, die mit dem Lucida 3D-Scanner erfasst wurden, Foto: © Factum Foundation | Theban Necropolis Präservationsinitiative für das Antikenministerium, Ägypten.

Bild 3: Detail aus der Westwand von Raum I, Grab von Seti I. Farbdaten, die mit Hilfe von Farbfotografie aufgenommen wurden, Foto: © Factum Foundation | Theban Necropolis Präservationsinitiative für das Antikenministerium, Ägypten.

Bild 4: Detail aus der Westwand von Raum I, Grab von Seti I. Oberflächen- und Farbdaten, zusammengeführt, Foto: © Factum Foundation | Theban Necropolis Präservationsinitiative für das Antikenministerium, Ägypten.

Als weiterer Vorteil gilt, dass sehr fragile oder verformbare Objekte durch die Fotogrammetrie besser geschützt werden können. Denn die Aufnahmemethode selbst erfolgt berührungslos und ist entsprechend schonend für besonders sensible Gegenstände. Ausserdem können statt der Originale die Drucke für die Forschung herangezogen oder in Museen und Ausstellungen gezeigt und ausgeliehen werden. Damit wird auch das Risiko eines Schadens am Original infolge des Transports umgangen. Die Fotogrammetrie ist also für hochpräzise Kunstreproduktionen und Repliken in beliebig hoher Auflösung und akkurater Farbwiedergabe eine bewährte Methode und eröffnet neue Dimensionen. Doch was sind die Schwierigkeiten, die das Verfahren mit sich bringt?

Herausforderungen der Fotogrammetrie

Die Fotogrammetrie hat auch ihre Grenzen, oder vielmehr ihre Schwierigkeiten. Zum Beispiel können fotografische Aufnahmen das tatsächliche Aussehen und somit auch die Wirkung eines Objektes verfälschen. Die Farbigkeit des Objekts ist abhängig von der Beleuchtung, aber auch von der Qualität der Kamera oder des Scanners. Darum sind oft Farbkorrekturen mittels einer Bildbearbeitungssoftware notwendig. Ein Problem ist, wie eben erwähnt, die Lichteinwirkung. Bestimmte Materialien sehen unter bestimmten Lichtbedingungen betrachtet oft anders aus. Das heisst, die Umgebungsbeleuchtung muss passen oder mit einigem Aufwand und guter Ausrüstung passend gemacht werden. Damit ist das Licht aber ein künstlich inszeniertes. Auch das Fotografieren an sich ist nicht immer einfach, gerade bei in situ Objekten. So lässt sich ein Gegenstand mit einer reflektierenden Oberfläche bei strahlendem Sonnenschein nur schwer fotografieren und bei ständig wechselnden Lichtverhältnissen verändert sich auch der visuelle Effekt eines Objektes. Deshalb reicht nur ein Lichtsetting oft nicht aus, um ein Objekt in seiner vollen Wirkung akkurat wiederzugeben. Im Idealfall muss der historische Lichtkontext eines Objektes bekannt sein, wenn ein authentischer Eindruck wiedergegeben werden soll. Das heisst, verschiedene Lichtszenarien müssen aufgenommen werden, gerade wenn der Gegenstand bestimmten Lichtverläufen- oder Situationen ausgesetzt war. Trotz gewissen Schwierigkeiten gibt es aber auch hier Vorteile. Denn auch Licht, das historisch nicht vorhanden war, kann spannende Einblicke geben und neue Erkenntnisse offenbaren. In Anwendungsprogrammen kann das Licht sogar verändert werden, wodurch ein Objekt unter diversen Lichtverhältnissen oder mittels einer Lichtsimulationen betrachtet werden kann. Für eine didaktische Transparenz müssten also theoretisch auch die Lichtinformationen und ihr Kontext bei der Betrachtung erklärt werden. 

Eine weitere Problematik ist, dass nicht alle Objekte ohne Schwierigkeiten digitalisiert werden können, da sie bestimmte Voraussetzungen erfüllen müssen. Das zu digitalisierende Objekt muss über markante Merkmale verfügen, damit Gemeinsamkeiten zwischen den einzelnen Bildern der Serie festgestellt werden können. Zu komplexe Formen sind ungeeignet, da schwerzugängliche Stellen das Erfassen des Kunstwerkes nicht zu 100 Prozent ermöglichen und sehr aufwändig sind. Besonders, wenn das Aufnahmeobjekt regelmässig wiederkehrende Muster, sich überlappende Formen oder wenig aussagekräftige Strukturen besitzt, wie etwa eine weisse, gleichförmige Fläche, gelangt das Verfahren an seine Grenzen. Nebst der Form, sind also auch die Farbgebung, gewisse Materialien und die Oberflächenbeschaffenheiten gut oder weniger gut geeignet. So sind matte Gegenstände einfacher zu fotografieren als transluzente, glänzende Materialien. Unmöglich zu erfassen sind bis jetzt transparente Materialien wie Glas, Emaille oder kristallines Material. Auch stoffliche Gegenstände sind nur bedingt geeignet, da sie verformbar sind und sich das Ergebnis so ständig verfälscht. Das Resultat ist also stets von der Grösse, der Gestalt und den optischen Eigenschaften des Aufnahmeobjekts abhängig. 

Auch die Materialität bei der Herstellung von realen Modellen mittels Rapid Prototyping stellt eine Herausforderung dar, wenn eine möglichst akkurate Kopie entstehen soll. Denn die herbeigezogenen Maschinen bieten bis jetzt erst eine bestimme Auswahl an Materialien an: beispielsweise Kunststoff, Metall, Gips, Wachs, Acrylglas, Kunstharz oder Thermoplaste. Deshalb sind nicht alle Objekte zur Herstellung einer Kopie geeignet. Dazu kommt, dass Farbdrucker noch relativ teuer sind.

Aber auch die klimatischen Bedingungen machen das fotogrammetrische Arbeiten vor Ort schwierig. So ist das Zeitfenster aufgrund der Hitze und Luftfeuchtigkeit in den Grabanlagen oft limitiert. Daten müssen deshalb oft ortsunabhängig ausgewertet werden, was die Interpretation bei er Untersuchung beeinflussen kann. Denn das direkte Erfahren von Objekten ist für die Forschung nach wie vor wichtig. Ausserdem muss jegliche Technik unter grossem Aufwand aufgestellt werden, gerade bei den Nekropolen ist dies mit viel Aufwand verbunden, da diese sich am Rand der Wüste befindet.

Natürlich müssen die Institutionen auch Fragen nach der Art und Sicherheit der Langzeitspeicherung sowie der Archivierung der generierten Daten klären. Damit einher geht auch die Frage nach dem ökologischen Fussabdruck, da die Datenspeicherung viel Energie verbraucht. Ein weiterer Diskussionspunkt ist in diesem Zusammenhang auch das Urheberrecht der Bilddaten und Modelle, das stets geklärt und definiert werden muss: Wer hat Zugang zu den Daten und wie werden sie verbreitet? Wie werden die Daten genutzt? Wann sind sie frei zugänglich und wann werden sie wie kommerzialisiert? Die Daten des Grabes Sethos I. sind Eigentum des Ministeriums für Altertümer in Ägypten. Dieses profitiert von kommerziellen Nutzungen und nur mit ihrer Erlaubnis können die Daten für Konservierungs- und Überwachungszwecke sowie für wissenschaftliche Studien frei zugänglich gemacht werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist somit die Zusammenarbeit und der Austausch zwischen den Expert:innen der verschiedenen Disziplinen, aber auch zwischen den Ländern, in denen die Untersuchungen stattfinden. Denn nur dadurch kann ein möglichst unverfälschtes und faires Ergebnis erzielt werden.

Original oder Kopie

Nicht zuletzt, muss auch stets der Wert der Objekte geklärt werden: Lohnt es sich, von einem bestimmten Objekt ein Modell herzustellen und was soll damit bezweckt werden? Kann die Kopien ein Original angemessen vertreten, oder gar ersetzen? Was nimmt uns die Kopie und was gibt sie uns? Können wir mit einer Kopie dem Original gerecht werden, auch in Anbetracht der Materialität und des Schaffensprozesses? Was bedeutet es, wenn wir in die Vergangenheit reisen und heute unvollständige Objekte wieder in ihrer ganzen Pracht sehen können oder vermeintlich sehen, wenn es sich um eine Rekonstruktion handelt? Dieser Diskussion von Original und Kopie soll in einem Folgebeitrag weiter auf die Spur gegangen werden. Klar ist, dass die virtuellen 3D-Modelle und ihre realisierten Kopien eine schonende Methode der Vermittlung und Forschung von Kunst- und Kulturgütern darstellt, auch wenn noch einige technische Schwierigkeiten vorhanden sind. Trotz der berechtigten Fragen zu Original und Kopie, zeigte zum Beispiel die Ausstellung des Faksimiles von  Thutmosis III. im Nationalmuseum für Archäologie in Madrid, dass sie die Menschen zu faszinieren scheinen. Die Ausstellung im Jahr 2004 erzielte Rekord-Besucherzahlen. Für Einblicke in den Herstellungsprozess von Faksimiles, empfiehlt sich die Website der