Videogrammetry – das Geheimnis der Archäologie

Betrachtet man das Forschungsfeld der Archäologie, ist es auf den ersten Blick schwer mit digitalen Werkzeugen zu verknüpfen – man stelle sich Forschende in einem weitläufigen Feld von Ausgrabungen vor, die kniend auf der Erde hocken und mit einem feinen Pinsel Fundstücke von unschätzbarem Alter und Wert mit größter Sorgfalt freilegen. Die Arbeit am Computer stellt zu einer solchen Szenerie den wohl größtmöglichen Kontrast dar. Und doch nimmt die Bedeutung dieses Geräts – und seiner Funktionen – in archäologischer Forschung stetig zu. Neben verschiedensten Tools der Modellierung von Fundstücken hob sich in den letzten Jahren eins besonders hervor: die Videogrammetry – ein Tool der 3D-Rekonstruktion auf Basis von Videostreams. Prof. Dr. Marco Block-Beritz präsentierte in seinem Vortrag “Videogrammetry in a nutshell” den Einsatz von Videogrammetry in archäologischer Forschung, indem er einen theoretischen Rahmen aufzeigte und die Umsetzung in der Praxis mit verschiedenen Forschungsprojekten vorstellte. Die Botschaft, die er dabei vermittelte, war eindeutig: Videogrammetry ist die Zukunft der 3D-Rekonstruktion in der archäologischen Forschung.

Bedeutung von 3D-Rekonstruktionen in der Archäologie

Fundstücke sind sensible Objekte. Objekte, die bereits bei ihrer Ausgrabung mit größter Sorgfalt behandelt werden müssen. Anfällige Fundstücke, die ggf. bereits bei der Ausgrabung leicht bis stark beschädigt wurden, können weder sicher an unterschiedliche Orte transportiert werden – beispielsweise ist eine Ausstellung in verschiedenen Museen aufgrund der Transportherausforderungen kaum möglich –, noch können sie mit hundertprozentiger Sicherheit der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. Doch ist die Veröffentlichung historischer Gegenstände und damit verbundener Erkenntnisse für Interessierende wichtig, da sie dadurch Einblicke in Wissenschaftsfelder erlangen, die sie sonst nicht bekommen hätten. 

3D-Rekonstruktionen von historischen Funden bieten eine Möglichkeit, die Hindernisse ihrer Objekteigenschaften zu überwinden. Indem ein reales Objekt digital rekonstruiert wird, kann dieses orts- und zeitunabhängig genutzt und veröffentlicht werden. Es ist also nur eine logische Konsequenz, dass sich neben der archäologischen Forschung auch andere Wissenschaftsfelder mit einem digitalen Zugang von Forschungsergebnissen beschäftigen und diesen – wenn es sinnvoll ist – mit 3D-Rekonstruktionen bzw. Modellen erweitern.

6 Gründe des Einsatzes von 3D-Modellierung in der Archäologie

  1. Dinge messbar machen: Wenn das Modell richtig erstellt und in sich kohärent ist, ist die Kenntnis über einen einzigen real gemessenen Abstand zwischen zwei Merkmalen ausreichend, um alle anderen Abstände im Modell korrekt zu bestimmen. Auch kann durch eine Georeferenzierung das Modell in der Welt verankert werden.
  2. Präsentation und Veröffentlichung: 3D-Modelle werden häufig als Ergebnis einer Dokumentationskampagne eingesetzt. Auf der Plattform Arachne ist es bspw. möglich, 3D-Modelle aus Forschungsprojekten zu hinterlegen und für die Öffentlichkeit zugänglich zu machen.
  3. Automatische Bestimmung von unbekannten Objekten: Mustererkennungsmethoden (z.B. ArchAIDE) ermöglichen das Erzeugen sog. eindeutiger Fingerabdrücke und damit verbesserter und vereinfachter Auffindungsmöglichkeiten in Datenbanken.
  4. Interpretationsunterstützung: Ohne Interpretation sind Fotos und 3D-Modelle nicht von Bedeutung. Eine nachvollziehbare und fundierte Interpretation stellt den eigentlichen wissenschaftlichen Wert dar. 3D-Modelle zur Unterstützung einer Interpretation bieten eine effiziente Möglichkeit, da diese beliebig weiterverarbeitbar sind und so unterschiedliche Informationen sichtbar machen können.
  5. Digitalisierung ermöglicht parallele Studien: Die Veröffentlichung von Funden ist abhängig von ihrer gründlichen Untersuchung. Der wissenschaftliche Interpretationsprozess kann durch digitale Tools und Objekte parallelisiert und somit beschleunigt werden.
  6. Unterstützung bei Ausgrabungen und Dokumentation: Meistens werden 3D-Modelle am Ende einer Dokumentationsprozesskette eingesetzt, vereinzelt dienen sie aber auch als Ausgangspunkt für Lokalisierungen und Annotationsmessungen bei Ausgrabungen. Eins steht jedoch fest: Sie sind wesentlicher Bestandteil der Darstellung bzw. Präsentation von Ergebnissen.

Aber wie funktioniert die Produktion von 3D-Modellen eigentlich?

Block-Beritz verwies in seinem Vortrag auf zwei unterschiedliche Ausrichtungen von 3D-Rekonstruktionen in der archäologischen Forschung: Reconstructive 3D Modeling und 3D Rekonstruktion durch Photogrammetry (Abb. 1). Unter ersterem stellte er die Rekonstruktion von wirklichen Objekten, bspw. Gebäuden, basierend auf Bildern, Beschreibungen etc. vor. Mithilfe dieses Ansatzes sei also bereits eine Basis gesetzt, die beschreibt, wie Fundstücke durch einen menschlichen Konstrukteur und digitale Tools in eine digitale Form gebracht werden können. Der zweite Ansatz geht noch darüber hinaus: Mithilfe einer Reihe von Fotos (Fotos werden als zweidimensionale Repräsentation der Realität ausgewiesen), die das reale Objekt aus unterschiedlichen Positionen zeigt, gelingt es, ein digitales 3D-Objekt zusammenzustellen. Das verwendete Programm rekonstruiert dabei Positionen und Formen von Bildern. Der eingesetzte Rekonstruktionsprozess zeigt sich hierbei als Momentaufnahme der aktuellen algorithmischen Verfahren und Methoden: Es gibt viele verschiedene Methoden zur 3D-Rekonstruktion, es gilt (wie so häufig), eine aufgabengeeignete auszuwählen. 

Abbildung 1: 3D-Rekonstruktionsansätze: Reconstructive 3D Modeling & 3D Rekonstruktion Photgrammetry (Quelle: Vortrag Block-Beritz 08.12.2021: Folie 6)

Und was war das jetzt mit Videogrammetry?

Videogrammetry als ein digitales Tool zur Produktion von 3D-Modellen basiert, wie der Name bereits verrät, auf Videostreams. Vergleichbar ist diese Technologie mit der bereits benannten Photogrammetry, erweitert diese aber um einen wichtigen Punkt: die sog. Keyframe – Selection.

Videogrammetry = Keyframe-Selection + Photogrammetry

Keyframes sind eine Reihe von Bildern, die im Video produziert werden. Bei der Keyframe-Selection werden die Bilder ausgewählt, die als Input der Photogrammetry geeignet sind. Dabei gilt es, den sog. MIN-MAX-Konflikt zu lösen: Dieser Konflikt beschreibt, dass einerseits Bilder ausgewählt werden müssen, die eine relativ kleine Distanz von Merkmalen aufweisen und somit viele überschneidende Teile enthalten und daraus erfolgend viele 3D-Punkte erzeugen können (MIN-Property, Abb. 2). Andererseits existieren umso mehr genaue Punkte, desto größer der Abstand der Merkmale zwischen zwei Bildern ist (MAX-Property, Abb. 3). Die Extraktion der richtigen Bilder ist sehr zeit- und kostenaufwendig. 

Abbildung 2: MIN-Property (Quelle: Vortrag Block-Beritz 08.12.2021: Folie 22)

Block-Beritz stellte in seinem Vortrag eine 3D-Rekonstruktionspipeline (Archaeo3D) vor, die er und sein Projektteam seit 2012 entwickeln. In dieser verwenden sie sowohl öffentlich zugängliche Softwarepakete als auch eigene Implementierungen. Die Pipeline soll in Zukunft veröffentlicht werden, sodass Interessierende anhand eines aufgenommenen Videos eigene 3D-Modelle erstellen können. 

Abbildung 3: MAX-Property (Quelle: Vortrag Block-Beritz 08.12.2021: Folie 24)

Fazit

3D-Rekonstruktionen haben in verschiedenen Wissenschaftsfeldern eine große Bedeutung angenommen, so auch in der Archäologie. Sie dienen der Visualisierung von Forschungsergebnissen und ermöglichen die Veröffentlichung historischer Funde, ohne der Gefahr ausgesetzt zu sein, beschädigt zu werden. Die Erzeugung von 3D-Modellen lässt sich durch unterschiedliche und doch verwandte digitale Tools ermöglichen. Prof. Dr. Marco Block-Beritz gelang es in seinem Vortrag, die unterschiedlichen Möglichkeiten des Einsatzes von Tools zur 3D-Rekonstruktion durch Präsentation verschiedener Forschungsprojekte zu veranschaulichen und einen Einblick in eine etwas andere Seite der archäologischen Forschung zu bieten. Videogrammetry kann hierbei als ein Must-Have der Tools zur Rekonstruktion bezeichnet werden, das zukünftig noch weitere fortschrittliche Leistungen vollbringen kann und vermutlich auch wird. 

Zur Autorin: Christine Schäfer erlangte ihren Bachelorabschluss in der Fächerkombination Erziehungswissenschaften und Informationsverarbeitung und studiert derzeit Informationsverarbeitung im Master an der Universität zu Köln. 


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