Der Bau des Kölner Domes mal anders

Der Titel des Vortrages, der uns am 24.11.2021 bevorstand „The Kölner Dome: Building and development of a DIY RTI dome“ ließ einige Archäoinformatik-Laien zunächst ins Schwanken geraten. Es handelte sich nämlich nicht um einen Vortrag über eine Rekonstruktion des Kölner Doms, sondern um einen praxisnahen Bericht über den Bau und die Entwicklung eines sogenannten RTI Domes. Sebastian Hageneuer, der selbst an der Universität zu Köln am Institut für Archäologie beschäftigt ist, führte uns an diesem Abend zunächst in die allgemeine Technologie des RTI ein und klärte auf, was genau sich hinter einem solchen Dome verbirgt. Im zweiten Teil seines Vortrags berichtete er dann mit großem Spannungsbogen von seinen Versuchen der letzten Jahre, einen RTI Dome selbst zu bauen. Lesenswert ist auch sein eigener Blogpost zu diesem Thema.

Was ist RTI und was ist ein RTI-Dome?

RTI steht kurz für Reflectance Transformation Imaging und wurde unter dem Kürzel PTM im Jahr 2000 entwickelt. Der Kern dieser Technologie ist, unterschiedlich beleuchtete Fotos von einem Objekt übereinanderzulegen und in digitaler Form nutzbar zu machen.

Um diese Fotos aufzunehmen, wird klassischerweise eine Kamera fest auf ein Objekt gerichtet, die dieses in festen Zeitabständen fotografiert. Durch das Bewegen eines tragbaren kleinen Lichts wird nun die Einfallsrichtung und der Einfallswinkel für jedes Foto verändert. Ein Faden, der an dem Licht angebracht ist, sorgt dabei für einen gleichbleibenden Abstand. So entstehen für jedes Objekt 50-80 Fotos mit unterschiedlicher Beleuchtung.

Abbildung 1: Die klassische Methode zur Erzeugung von RTI-Dateien. Quelle: Präsentation von Sebastian Hageneuer

Im nächsten Schritt werden diese Fotos in einer RTI-Datei übereinandergelegt, die mithilfe eines RTI Viewers angeschaut werden kann. In diesem kann dann unter anderem die Darstellung unter einem bestimmten Lichteinfall gesteuert werden. Um die Nützlichkeit dieser Funktion zu erläutern, übertrug Sebastian Hageneuer diesen Vorgang auf die „reale“ Welt: Er erinnerte an das Phänomen, dass man, um Details z.B. auf einer Münze besser erkennen zu können, diese unter einem Licht kippend hin und her bewegt. Für die Archäologie ergibt sich somit ein einleuchtender Nutzen von RTI: Objekte, von denen man sonst vielleicht nur ein einfaches Foto haben würde, können dadurch auch in digitaler Form genauer betrachtet werden, da Details besser erkennbar sind. Bei der Erstellung der Datei wird auch der sogenannte Normalvektor aus dem Wissen um den Ein- und Ausfallswinkel des Lichts berechnet. Dieser bezeichnet den Vektor, der im 90° Winkel zur Oberfläche des Objekts steht. Im RTI Viewer kann durch die Veränderung des Rendering Modes dann eingestellt werden, wie diese Vektoren verstärkt oder besonders gekennzeichnet werden sollen. So können die Kanten z.B. je nach Ausrichtung unterschiedlich eingefärbt werden.

Abbildung 2: Die Darstellung einer RTI-Datei im RTI Viewer. Quelle: http://vcg.isti.cnr.it/rti/rtiviewer.php

Der große Nachteil der klassischen Erzeugung von RTI Dateien ist dabei, dass der Prozess des Fotografierens kompliziert und fehleranfällig ist, z.B. wenn die Kamera berührt wird. Eine Alternative ist deshalb ein sogenannter RTI Dome. Dieser besteht aus einer Kuppel, in der LEDs netzartig angeordnet sind und einzeln angesteuert werden können. Oben befindet sich ein Loch für die Kamera. Mit so einem Dome können Objekte bis zu einer bestimmten Größe komfortabel fotografiert werden. Die Problematik des flächendeckenden Einsatzes solcher Domes ist hierbei aber der hohe Preis .

Abbildung 3: Ein RTI-Dome. Quelle: https://broncolor.swiss/de/produkte/scope-d50


DIY-Dome(s)

„Also selbermachen“, dachte sich Sebastian Hageneuer. Auf der Internetseite hackaday.io wurde eine Open-Source Anleitung für einen DIY-RTI-Dome veröffentlicht, die er als Grundlage für seine eigenen Domes nutzte.

Der erste Versuch wurde dann 2018 fertiggestellt. Dieser Dome hat einen Durchmesser von 100 cm und kann Gegenstände zwischen 5 und 20 cm fotografieren. Der „Pizzaofen“, wie er im Institut genannt wird, hat aber ein hohes Gewicht und ist, durch die (für den Transport) notwendige Aufteilung in vier Teile, aufwändig aufzubauen. Auch die Kabel, die die einzelnen Teile verbinden, sind eine potentielle Fehlerquelle. Zuletzt ist es sehr unbequem und umständlich, Gegenstände in der Mitte des Domes zu platzieren.

Abbildung 4: Der erste Dome von 2018. Quelle: Präsentation von Sebastian Hageneuer

Der zweite Dome 2019 versuchte die Probleme des ersten auszugleichen. Sebastian Hageneuer entschied sich für den Bau eines kleineren Exemplars mit einem Durchmesser von 50 cm, das im Ganzen transportiert wird und deshalb nicht so aufwändig aufgebaut werden muss. Das Problem der umständlichen Platzierung der Objekte wurde durch den Einbau hydraulischer Arme gelöst, mit denen die Kuppel abgesenkt werden kann. Diese Version hat laut Sebastian Hageneuer besser funktioniert und warf wenig weitere Probleme auf. Aber genauso wie beim ersten Dome wurde eine digitale Spiegelreflexkamera genutzt, was dazu führt, dass Fotos durch die Bewegung der Spiegel in der Kamera verschwommen sein können.

Abbildung 5: Der zweite Dome von 2019. Quelle: Präsentation von Sebastian Hageneuer

Die dritte, aktuellste Dome-Version, war eine Anfertigung auf Anfrage der Uni Münster. Sie kombiniert die ersten beiden Domes: Sie hat genau wie der erste Dome einen Durchmesser von 100 cm, aber funktioniert wie der zweite Dome durch die Nutzung hydraulischer Arme. Diese Merkmale machen den Dome sehr schwer zu transportieren, weshalb als use case eher ein fixer Arbeitsplatz gedacht ist. In dem Modell wurde eine spiegellose Kamera eingebaut, was das Problem der verschwommenen Fotos gelöst hat.

Abbildung 6: Der dritte Dome von 2021. Quelle: Präsentation von Sebastian Hageneuer

Auch in den Hardware- und Softwareaufbau hat Sebastian Hageneuer in seinem Vortrag Einblicke gegeben: Die LEDs und die Kamera werden dabei von einem Arduino in einer Kontrollbox gesteuert. Ursprünglich wurde in dieser alles durch eine große Anzahl an Kabeln gelöst, die Sebastian Hageneuer aber durch ein selbst designtes PCB-Board ersetzt hat (mehr dazu hier).

Abbildung 7: Das PCB Board des Domes. Quelle: Präsentation von Sebastian Hageneuer

Problematisch war auch die Hitzeentwicklung in der Kontrollbox durch das Ansteuern der LEDs. Diese wurde dadurch reduziert, dass die ursprüngliche Abfolge geändert wurde, sodass nach jedem Ansteuern einer LED die Reihe und die Spalte gewechselt und somit Zeit zur Abkühlung gewonnen wird.

Zukunft?

Sebastian Hageneuer hat große Pläne für die Weiterentwicklung des Domes: Neben einer Idee zur Optimierung der Konstruktion ist er auch auf den weiteren Ausbau des Funktionsumfangs eingegangen: Möglich wäre es z.B. die einfachen LEDs durch dreifache LEDs zu ersetzen, bei denen neben dem normalen Licht auch Infrarot- und UV-Strahlung eingesetzt werden kann. Zusammen mit einer Kamera, die diese Spektren unterstützt, könnte so RTI eingesetzt werden um z.B. Gebrauchsspuren besser erkennen zu können. Sebastian Hageneuer hat die Arbeit an den Domes so großen Spaß gemacht, dass er Pläne verfolgt, diese öfter zu machen. Eine Webseite gibt es auch schon.

Zur Autorin

Sara Saleh studiert nach ihrem Bachelorabschluss in Geschichte und Informationsverarbeitung nun Informationsverarbeitung im Master. Sie arbeitet momentan am Data Center for the Humanities der Universität zu Köln.


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