Real wirkende Oberflächen simulieren

Beim Autokauf achten Kunden nicht nur auf den Verbrauch, sondern vor allem auf das Aussehen. Hochwertig soll die Innenausstattung wirken, dezent das Muster der Sitzbezüge und edel die Lederoptik des Armaturenbretts. Designer wollen deshalb schon früh wissen, wie ein Stoff oder ein Lederimitat im neuen Auto-Cockpit wirken. Früher fertigte man Modelle an, doch das war zeitraubend.

Schneller ist die Simulation am Computer, allerdings kostet auch das Zeit. Denn zuerst muss man die realen Objekte fein aufgelöst einscannen und in die virtuelle Welt übertragen. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in Darmstadt wollen diesen Prozess jetzt beschleunigen. Sie haben dafür zwei Scanner entwickelt, die reale Objekte mit Mikrometer-Präzision aufnehmen und daraus täuschend echte virtuelle Abbilder schaffen.

Gerät Nummer 1, der HDR-ABTF-Scanner, ist darauf spezialisiert, Materialen wie Textilien oder Leder präzise und vor allem schnell unter verschiedenen Lichtrichtungen aufzunehmen. Am Computer lässt sich dann simulieren, wie ein mit diesem Stoff überzogenes Objekt unter wechselndem Licht wirkt, beispielsweise ein Autositz. Das zweite Gerät, der Meso-Scanner, nimmt dreidimensionale Objekte in hoher Auflösung auf. Anders als herkömmliche Systeme erfasst er auch feinste Furchen in bislang unerreichter Präzision.

Beide Scanner sind Weiterentwicklungen etablierter Verfahren, die teurer sind oder langsamer arbeiten. »Für eine industrielle Anwendung aber benötigen wir schnelle und preiswerte Geräte mit hoher Auflösung«, sagt Martin Ritz, Entwickler am Fraunhofer IGD. Der HDR-ABTF-Scanner leistet das. In dem Gerät ist eine Spiegelreflexkamera installiert, die von oben auf das Objekt blickt. Beleuchtet wird das Material nacheinander von mehreren Leuchtdioden, die in einem Viertelkreis-Bogen angeordnet sind. So wird die Oberfläche aus verschiedenen Winkeln beleuchtet und unter variierenden Belichtungen abfotografiert. Am Ende entstehen für jede Lichtrichtung Belichtungsreihen, die am PC zu hochaufgelösten HDR-Bildern integriert werden. Ein Fahrzeug-Designer kann die Bilddaten dann mit dem Computermodell eines Autositzes kombinieren und das Materialverhalten unter beliebigen Beleuchtungswinkeln betrachten. Vergleichbare Verfahren setzen mehrere Kameras und deutlich mehr Lichtquellen ein. Der Apparat vom Fraunhofer IGD arbeitet da einfacher und zudem schneller. Ein neues Material lässt sich in nur zehn Minuten einscannen und in ein virtuelles Modell übertragen.

Der Meso-Scanner nimmt kleine dreidimensionale Objekte auf. Herkömmliche 3D-Scanner projizieren ein relativ grobes Streifenmuster auf einen Gegenstand. Aus der Deformation der Streifen schließt die Software auf die dreidimensionale Gestalt. Der neuartige Scanner wirft ein sehr viel feineres Muster aus schwarzen und weißen Streifen auf das Objekt, die nur etwa einen Drittel Millimeter breit sind. Durch eine spezielle Linse vor dem Projektor wird dieses Muster mit Sub-Pixel-Genauigkeit über das Objekt bewegt. Das heißt es verschiebt sich in Einzelschritten von 1/25 eines Pixels oder kleiner. Damit wird der Gegenstand sehr viel feiner als bisher abgetastet und eine hohe Auflösung erreicht: Vertiefungen und Furchen erfasst der Scanner mit einer Tiefengenauigkeit von etwa 30 Mikrometer. Das ist 2- bis 3-mal genauer als ohne das Lens-Shifting-System.

»Der Meso-Scanner ist nicht nur für die Autoentwicklung interessant«, betont Ritz. »Museen etwa könnten seltene Exponate wie Schmuck oder Münzen mit hoher Präzision einscannen.« Auch für die Computer-Spiel-Industrie ist das Gerät interessant. Erste Prototypen der neuen Scanner präsentieren die Forscher auf dem Stand der Fraunhofer-Allianz GENERATIV der Messe Euromold (Halle 11, Stand C66a) vom 29. November bis 2. Dezember 2011 in Frankfurt am Main.