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Lösungen für 3D-Scanning

Wie Artec 3D die Ukraine unterstützt

Origin Forensics: 3D-Scantechnologie von Artec 3D unterstützt die Rekonstruktion von Verkehrsunfällen

Herausforderung: 3D-Scannen von Unfallfahrzeugen zur Rekonstruktion und Untersuchung eines Unfalls. Dabei wird das gesamte Ausmaß der Karosserieschäden in farbigem Submillimeter-3D erfasst, um eingehende Inspektionen, Analysen und Dokumentationen durchzuführen. Die daraus resultierenden Daten und Schlussfolgerungen werden für Gerichtsverfahren herangezogen.

Lösung: Artec Leo, Artec Studio

Ergebnis: Früher erfolgten die Fahrzeugscans mit einem terrestrischen Laserscanner in mehreren Stunden. Eine langwierige Neupositionierung der Hardware sowie eine umfangreiche Nachbearbeitung waren dazu von Nöten. Heute sind sie dank eines professionellen drahtlosen 3D-Handscanners, der eine hochauflösende Geometrie und fotorealistische Texturen von Fahrzeugen sowie aller Unfallschäden liefert, innerhalb weniger als einer Stunde möglich.

Sobald der Experte für forensische Unfallrekonstruktion Jarrod Carter, Ph.D., an ein verunfalltes Auto herantritt, öffnet sich ein Buch voller Geschichten, die darauf warten, erzählt zu werden: Wie schnell war das Auto unterwegs, als es gegen die Brücke prallte? Wie viele Sekunden vor dem Aufprall trat der Fahrer auf die Bremse? Waren alle Insassen angeschnallt? Und wie gut haben die Sicherheitsvorkehrungen des Autos die Insassen geschützt?

Wenn Carter und sein Team bei Origin Forensics dabei helfen sollen, die Hintergründe eines Autounfalls zu analysieren, sammeln sie eine Vielzahl von Daten. Neben 3D-Modellen von Drohnenfotos und dreibeinigen Laserscannern, Polizeiberichten, Fotos und Videos von der Polizei oder Zeugen gibt es Überwachungsmaterial, das von Videos aus Ampelkameras, Dash-Cams und Daten von Event Data Recordern (EDR), auch bekannt als „Black Box“, entstanden ist.

Diese verschiedenen Quellen bieten ein breites Spektrum an Details aus den Sekunden vor und während des Unfalls: Nutzung der Bremsen, Betätigung des Gaspedals, Lenkradwinkel, Quer- und Längsbeschleunigung, Rollgeschwindigkeit, Motordrehzahl, Gangschaltung und noch vieles mehr.

Artec Leo bietet nun ganz neue Möglichkeiten, einen Unfallhergang zu rekonstruieren.

Origin Forensics verwendet dabei Artec Leo, einen kabellosen tragbaren 3D-Scanner von Artec 3D, um die Geschichte hinter dem verbogenen Metall eines Fahrzeugwracks zu erzählen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass der Scanner in weniger als einer Stunde eine präzise digitale Abbildung des Exterieurs oder Interieurs eines gesamten Fahrzeugs mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich erstellen kann.

Screenshot der Software Artec Studio mit dem Leo-Scan des Dodge Charger 2014

Um digitale Zwillinge der Fahrzeugwracks zu erstellen, wurde bisher häufig ein auf einem Stativ montierter 3D-Laserscanner eingesetzt. Während des Scannens musste der Scanner dann mehrmals um das Fahrzeug herum neu positioniert werden – in verschiedenen Höhen, innen und außen, um so viele Details wie möglich zu erfassen.

Obwohl darauf die Details zwar wesentlich besser erkennbar waren als bei Carters früherer Methode mit Senklot und Maßband, mangelte es den Abbildungen noch immer an der notwendigen Qualität, um eine überzeugende digitale Abbildung zu schaffen.

Ein weiteres großes Problem bei der Arbeit mit dem Stativ-Laserscanner war der enorme Zeitaufwand: Zusätzlich zu der Zeit, die mit der Neupositionierung verbunden ist, dauerte jeder Scan mit einem stativgestützten Scanner mehrere Minuten. Ein detaillierter Scan eines gesamten Fahrzeugs konnte somit leicht eine Stunde und in einigen Fällen sogar mehrere Stunden dauern.

Kriminaltechniker Kyle Rothwell beim Scannen des Wracks eines 2014er Dodge Charger mit Artec Leo

Ein kurzes Zeitfenster zum Scannen des gesamten Fahrzeugs

Wenn Carter und sein Team sich an die Arbeit machen, haben sie in der Regel ein Zeitfenster von vier bis acht Stunden, in dem sie mit einem Fahrzeug arbeiten, wobei das Scannen nicht ihre einzige Aufgabe ist. Normalerweise sind sie die letzten Personen, die das Fahrzeug in diesem Zustand sehen. Jede Zeitersparnis während des Scanvorgangs verschafft also zusätzlichen Spielraum, um sicherzustellen, dass die Inspektion so umfassend wie möglich wird.

„Das Zeitproblem ist einer der Hauptgründe, warum ich mich nach einer besseren Alternative für unseren dreibeinigen Laserscanner umgesehen habe. Mich überzeugten die Schnelligkeit und Flexibilität, die uns Artec Leo bietet – vor allem, weil er keine Kabel oder einen angeschlossenen Computer benötigt. Ich habe nun nicht mehr das Gefühl, dass der Rest der Inspektion überstürzt ablaufen muss, damit ich noch genügend Zeit für das Scannen des Fahrzeugs habe”, so Carter.

Jarrod Carter Ph.D. beim Scannen eines Dodge Minivans mit Artec Leo

„Da das Fahrzeug im Mittelpunkt unserer Arbeit steht, ist es wichtig, dass wir uns genügend Zeit nehmen, um die Daten für die digitale Abbildung des Fahrzeugs zu sammeln – auch wenn wir dafür viel länger brauchten als heute. Jetzt, mit Artec Leo, generieren wir die Daten für den digitalen Doppelgänger des Fahrzeugs sehr viel schneller. Und ich kann den Touchscreen auf der Rückseite nutzen, um die Qualität des 3D-Netzes und der erfassten Textur zu überprüfen und sicherzustellen, dass ich alles habe, was ich brauche, bevor ich die Arbeit beende. Wenn ich einen Aspekt des Fahrzeugs übersehen oder nicht die gewünschten Details erhalten habe, kann ich den entsprechenden Bereich originalgetreu mittels einer schwungvollen Scanbewegung neu erfassen. Es ist nicht mehr so, wie in der Vergangenheit mit unserem stativgestützten Laserscanner, wo wir erst zurück ins Büro und mit der Verarbeitung der Daten beginnen mussten, bis wir feststellen konnten, dass eine Textur oder Geometrie nicht optimal erfasst worden war. Mit Leo können wir nach dem Verlassen des Fahrzeugs sicher sein, dass alles originalgetreu abgebildet worden ist.“

Die entscheidende Bedeutung präziser Texturen

Im Hinblick auf die Texturdaten äußert sich Carter sehr beeindruckt über die Fähigkeiten des Scanners: „Was wir von Artec Leo nicht erwartet hatten, war die Genauigkeit der Texturinformationen, die dieser erfasst. Die Farb- und Oberflächendetails erscheinen fotorealistisch, oder zumindest sehr ähnlich. Und die Textur ist nicht auf die einzelnen Punkte in der Punktwolke beschränkt wie bei einem stativgestützten Scanner. Stattdessen füllt die Textur die Lücken zwischen diesen Punkten aus. Ein Nebeneffekt des Auffüllens der Lücken ist, dass man das Fahrzeug aus Perspektiven betrachten kann, die bei der Inspektion nicht in Betracht gezogen wurden. Jetzt bin ich nicht mehr nur auf die Bilder beschränkt, die ich bei der Inspektion gemacht habe. Ich kann bei Bedarf Bilder machen, die wie Inspektionsfotos von verschiedenen Aspekten des Fahrzeugs aussehen.“

Carter fährt fort: „Mit Artec Leo erhalten wir hochpräzise Scans, die eine Vielzahl an Geometriedaten für alle Analysen liefern, die wir durchführen müssen. Danach fügt man noch die Fototextur hinzu, um es realistisch darzustellen. Ich erinnere mich noch an das erste Mal, als ich an das Modell eines Fahrzeugs heranzoomte, das wir mit Leo erfasst hatten. Es war beeindruckend. Es sah genauso aus wie das Fahrzeug selbst. Genau das will man mit einer digitalen Abbildung erreichen. In der Vergangenheit waren wir nicht einmal annähernd in der Lage, so realitätsnahe Modelle zu erstellen.“

Artec Studio Screenshot eines Leo Scans des Dodge Minivans

Einen digitalen Doppelgänger des Fahrzeugs zu kreieren, der bis ins kleinste Detail originalgetreu ist, ist für Carter und sein Team mittlerweile zu einer Selbstverständlichkeit geworden, seit sie Artec Leo einsetzen. „Wenn wir die Scans in Artec Studio durchgehen, ist es so, als wären wir direkt neben dem Fahrzeug: genau so, wie es während der Inspektion aussah. Wir können uns die Aufnahmen aus jeder beliebigen Perspektive ansehen und sie mit außergewöhnlicher Genauigkeit messen”, so Carter.

Untersuchung von Fahrzeugschäden in Artec Studio

Carter erklärt, wie die Scan-Daten genutzt werden: „Wenn wir die Scans eines beschädigten Fahrzeugs zusammengestellt haben, gleichen wir alle unbeschädigten Teile dieses Fahrzeugs mit einem 3D-Modell oder einem Scan-Datensatz eines ähnlichen unbeschädigten Fahrzeugs ab. Durch diesen Vergleich können wir das Ausmaß des Schadens bestimmen. Das liefert uns eine Grundlage für die Richtung der Aufprallkräfte sowie die bei der Kollision absorbierten Energien. Wir können die Geschwindigkeitsänderung (Delta-V) aus der absorbierten Energie und der Aufprallgeschwindigkeit abschätzen, wenn genügend andere Beweise vorliegen. Darüber hinaus können wir zusammen mit unserer Kollisionsanalyse andere Sachverständige unterstützen, die zu bestimmen versuchen, wie die Insassen verletzt wurden, oder die Möglichkeit bewerten, dass eine frühere Rekonstruktion oder Instandsetzung des Fahrzeugs diese Verletzungen verursacht oder verstärkt haben könnte.“

Vom 3D-Scan zur biomechanischen Verletzungsanalyse

Origin Forensics nutzt die Daten von Leo auch für die biomechanische Analyse von Verletzungen. Hier übersetzen Carter und sein Team das äußere Unfallereignis auf die Ereignisse, die die Insassen im Fahrzeuginneren betreffen. Ein wichtiger Aspekt der Analyse besteht darin festzustellen, wie die Insassen vom Moment des Aufpralls mit den Innenraummerkmalen des Fahrzeugs interagiert haben.

„Wir ordnen jegliche Verletzungen der Insassen den Elementen des Fahrgastraums zu, die sie verursacht haben. Anhand dessen können wir feststellen, ob eine der Sicherheitsvorkehrungen dort nicht die erwartete Leistung erbracht hat, wie zum Beispiel Airbags oder Sicherheitsgurte, die die Verletzungen abmildern sollten. Hätte etwas anders eingebaut oder hergestellt werden können, um diese Verletzungen zu verhindern? Wir analysieren jedes mögliche Szenario, von Anfang bis Ende.“

Carter und Rothwell bei der Überprüfung der Leo-Scandaten des Dodge Charger 2014 in Artec Studio

Bei Erstgesprächen mit dem Kunden vor Ort oder virtuell, kann Carter auf seinem Bildschirm den digitalen Doppelgänger, den sein Team mit Artec Leo erstellt hat, anzeigen und alle relevanten Details erläutern.

Untersuchung der Verformungsmuster des Charger mit Hilfe der Funktion in Artec Studio zur Abbildung des Oberflächenabstands

Carter erklärt: „Das Navigieren in einem solch detaillierten 3D-Modell ist eine wertvolle Ergänzung zu den 2D-Fotos des Fahrzeugs, die aus einer gewählten Perspektive aufgenommen sind. Oft sind die Kunden aber neugierig auf einen bestimmten Aspekt des Fahrzeugs. Wir können sie nun direkt dorthin mitnehmen und es ihnen so zeigen, als ob wir neben dem Fahrzeug stünden oder ein Foto betrachten würden, das aus dieser bestimmten Perspektive aufgenommen wurde.“

Verwendung der Scans für umfassende Berichterstattung über Fahrzeugschäden

Nach dem ersten Beratungsgespräch mit einem Kunden kann es erforderlich sein, einen schriftlichen Bericht vorzulegen, eine eidesstattliche Erklärung abzugeben oder vor Gericht auszusagen. Die Zusammenstellung von Beweismitteln, die den Verantwortlichen helfen, das Ausmaß des Schadens an einem oder mehreren beteiligten Fahrzeugen nachzuvollziehen, ist häufig ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses. Die aus den Scans generierten 3D-Modelle liefern die nötigen Informationen, um überzeugende visuelle Beweisstücke zu erstellen.

Der Kriminaltechiker Kyle Rothwell und interne Artec Leo-Experte von Origin Forensics beschreibt, wie er die Scans in der Software Artec Studio verarbeitet: „Nach dem Import der Scans führe ich zunächst die Globale Registrierung für eine Gruppe von Scans durch, bestimme anschließend die Perimeter für jede der Gruppen und danach richte ich sie aus.“

Rothwell verarbeitet die Scans des 2014 Dodge Charger

„Dann entferne ich alle verstreuten Geometriedaten wie Glasscherben, Schmutz, Asphalt usw. Sobald die Rohdaten registriert, ausgerichtet und bereinigt sind, wird die Bodenebene der Scans festgelegt und das Objekt so gedreht, dass die rechte Seitenansicht auch der rechten Seite des Fahrzeugs entspricht. Dann führe ich die scharfe Fusionierung durch, gefolgt von einer schnellen Polygonnetzvereinfachung. Für ein Fahrzeug ist eine Polygonnetz-Dichte von etwa zwei bis fünf Millionen Dreiecken angemessen für das, was wir brauchen. Anschließend wende ich die Textur für den Export an und wähle die reduzierte Blendung aus. Normalerweise verwende ich eine 8K-Texturkarte, um die kleineren Details zu erhalten. Dann ist das Modell bereit für den Export, normalerweise im OBJ-Format mit PNG-Textur.“

Digitale 3D-Doppelgänger von Fahrzeugen: besser als das Original

Auch wenn die meisten Fälle, die Carter und sein Team bearbeiten, außergerichtlich beigelegt oder abgewiesen werden, haben sie dank des 3D-Scanners die Möglichkeit, den Geschworenen eine virtuelle Darstellung des Fahrzeugs zu präsentieren.

„Das ist sogar noch besser, als das Fahrzeug selbst aus der Nähe zu betrachten, denn mit dem digitalen Doppelgänger kann ich heranzoomen, ihn drehen und dem Publikum jeden Teil des Schadens aus jedem beliebigen Winkel oder in jeder Vergrößerung zeigen, wie es gewünscht wird. Außerdem sind all diese Beweise frisch vom Unfallort, sodass sie genau das wiedergeben, was ich auch bei meiner Inspektion gesehen habe”, so Carter.

Vorbereitung der Inspektion in Artec Studio: Zusammenführung des Charger-Scans mit einem 3D-Modell desselben Fahrzeugs

„In nicht allzu ferner Zukunft“, deutet Carter an, „könnte es alltäglich werden, dass die Geschworenen einen eigenen Monitor haben oder eine VR-Brille tragen, um sich selbst ein Bild des Geschehens zu machen. Damit erhöht sich die Bedeutung von 3D-gescannten Daten noch einmal. Wir könnten die Geschworenen auf einen Rundgang um oder in einem Fahrzeug mitnehmen und ihre Aufmerksamkeit bei Bedarf auf wichtige Aspekte lenken.“

„In der Vergangenheit mussten wir das Auto für die Geschworenen zum Gericht bringen – eine teure Angelegenheit. Dabei ist es nicht einmal garantiert, dass das Gericht dies überhaupt zulässt. Mit den Daten, die wir nun von Artec Leo generieren, können wir das Auto virtuell in den Gerichtssaal bringen und es den Geschworenen präsentieren.“

Verwendung der Oberflächenabstandsmessung von Artec Studio zur visuellen Inspektion der Schäden am verunfallten Charger

Wie kam Carter auf Artec Leo? Bei seiner Online-Suche und dem Vergleich aller auf dem Markt erhältlichen handgeführten 3D-Scanner stieß Carter auf den YouTube-Kanal des Artec-Markenbotschafters Digitize Designs. Von dort aus wandte er sich an Bo Helmrich, den 3D-Scanexperten des Unternehmens, der ihm die Vorzüge des Scanners Artec Leo mithilfe von Videos des Scanvorgangs und Beispieldaten von einem Fahrzeugscan näherbrachte.

Um zu verdeutlichen, wie effektiv Artec Leo die Anforderungen von Carter erfüllen würde, scannte Helmrich die gesamte Außenoberfläche seines Toyota Highlanders, was von Anfang bis Ende eine knappe halbe Stunde dauerte. Keine 90 Minuten später waren die Scans verarbeitet und einsatzbereit. Carter erinnert sich an seine ersten Eindrücke von dem 3D-Modell, das er erhielt:

„Ich war überwältigt von den geometrischen Details und den Texturen. Diese sind für unsere Arbeit von großer Bedeutung. Ohne die hohe Qualität der zugrundeliegenden 3D-Daten wären die Texturen nicht annähernd so effektiv. Denn sowohl die Texturen als auch die 3D-Daten kontextualisieren sich gegenseitig. Wenn das Polygonnetz aus irgendeinem Grund aus dem Gleichgewicht geraten, verzerrt oder verzogen ist, kann auch eine noch so gute Textur nichts daran ändern. Glücklicherweise liefert Leo in beiden Kategorien brillante Ergebnisse. Wir haben es damals erlebt und sehen es heute in jedem einzelnen Projekt, für das wir ihn verwenden.“

Vorbereitung von Artec Leo bedarf nur weniger Minuten

Nach dem Kauf des Scanners erhielten Carter und sein Team eine Fernschulung zur Verwendung des Scanners und der Software Artec Studio. Rothwell kommentierte seine Erfahrungen bei dieser Schulung:

„Die Effizienz von Artec Leo, gerade bei kleineren Objekten, war für uns alle beeindruckend. Der Scanner war sofort nach dem Auspacken einsatzbereit und erstellte in nur wenigen Minuten detaillierte Modelle. Das Scannen größerer Objekte war anfangs jedoch etwas schwieriger, also verfolgten wir einen anderen Ansatz. Ich habe gelernt, dass es am besten funktioniert, wenn das Projekt in kleinere Abschnitte unterteilt wird. Das heißt, dass das Fahrzeug in Abschnitten gescannt und dann einzeln in Artec Studio hochgeladen wird. Dadurch haben wir jedes Mal stichfeste und präzise Ergebnisse. Im Vergleich zu früher ist das wirklich ein riesiger Fortschritt.“

Kriminaltechniker Kyle Rothwell beim Scannen eines Fahrzeugs mit Artec Leo

Er fährt fort: „Artec Leo befindet sich auf einem ganz anderen Niveau. Die Echtzeitüberprüfung, die man während des Scannens erhält, sowie die feinen Details und die Qualität der Farbtexturinformationen zu erfassen, heben diesen absolut von anderen Geräten ab.“

Aufgrund ihres umfassenden technischen Hintergrunds und ihrer Erfahrung in der Unfallrekonstruktion werden Carter und sein Team regelmäßig nach Unfällen hinzugezogen. Da deren Untersuchung ein tiefes Verständnis der physikalischen Zusammenhänge erfordert, gehen die erforderlichen Analysen häufig über die Bewertung der Verletzungen, die die Fahrzeuginsassen erlitten haben, hinaus.

Das ist auch der Grund, warum sich große Namen wie Chrysler, Ford Motors, Honda, Jeep, Nissan, Progressive, Safeco, Toyota und andere Unternehmen und Behörden in den Vereinigten Staaten regelmäßig an Origin Forensics wenden. Ihre tiefgehenden Untersuchungen, detaillierten Berichte und umfassenden Beratungen bringen Bestandskunden zurück und führen zu Weiterempfehlungen an neue Kunden.

Das Leitmotiv von Origin Forensics lautet „Veritas, Fidelitas, Claritas“ – Wahrheit, Treue, Klarheit. Das Motto definiert die Mission des Unternehmens, die darin besteht, die Wahrheit herauszufinden und dabei die Beweise mit Hilfe der neuesten und besten Technologien getreu darzustellen. Die Ergebnisse werden später den Kunden, Richtern und Geschworenen mit einem Höchstmaß an Klarheit präsentiert.

Carter erläutert, warum Artec Leo für ihre Aufgabe so wichtig ist: „Ich möchte die Grenzen dessen, was in der forensischen Unfallrekonstruktion möglich ist, erweitern. Und das erfordert die kontinuierliche Suche nach den besten Technologien, damit wir unseren Kunden hochwertige Dienstleistungen und Lösungen anbieten können. Aus diesem Grund habe ich mich für Artec Leo entschieden. Dieser verschafft uns einen Vorsprung, der alles andere auf dem Markt übertrifft.“

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