3D-Digitalisierung
Was Handscanner für die Forensik leisten
Wenn aus einem Objekt digitale Evidenz wird
Was Studierende der Forensik in einem gemeinsamen Workshop mit der Fachgruppe Konstruktion der Fakultät Ingenieurswissenschaften über 3D-Scanner, Scanstrategien und die Grenzen digitaler Modelle gelernt haben.
Zwei Fachbereiche, eine gemeinsame digitale Schnittstelle
Forensik und Ingenieurwesen nutzen die 3D-Digitalisierung für unterschiedliche Ziele. In der Forensik entstehen digitale Grundlagen für Rekonstruktionen, Vermessungen sowie die Untersuchung und Dokumentation von Objekten und Spuren. Im Ingenieurwesen dienen 3D-Daten unter anderem als Basis für Konstruktion, additive Fertigung und die präzise Reproduktion von Teilen, für die keine Zeichnungen mehr vorhanden sind. Das Digitalisat wird damit selbst zu einem digitalen Template.
Zwischen der Fachgruppe Konstruktion und der Fachgruppe Forensik besteht eine intensive Kooperation, die durch NextGen angestoßen wurde. Das Projekt verbindet nicht nur einzelne Mitglieder, sondern auch die Hochschul- und Fachbereiche, aus denen sie kommen, und die Fachkenntnisse, die hinter ihnen stehen. Dadurch entstehen Kontakte zwischen Disziplinen, die im Arbeitsalltag häufig getrennt voneinander arbeiten.
An dieser Schnittstelle arbeiten unter anderem die NextGen-Teammitglieder Hagen Bankwitz aus der Fachgruppe Konstruktion und Marie Luise Heuschkel (die Autorin) aus der Fachgruppe Forensik zusammen. Aus unserer Kooperation ist bereits das Projekt CrimeCave hervorgegangen, ein modulares, mobiles Photogrammetrie-System, das forensische Aufnahmen präziser, schneller und frei von Bewegungsartefakten macht und damit Täteridentifizierung sowie gerichtsverwertbare Gutachten ressourcenschonend verbessert. Die Zusammenarbeit setzt sich bei der gemeinsamen Nutzung und Erprobung von 3D-Digitalisierungstechnologien fort.
Ein Workshop mit drei Scannern und vielen Fragen
Beispielhaft für diese interdisziplinäre Zusammenarbeit steht der Workshop zur 3D-Digitalisierung mittels Handscannern. In dem Workshop, initiiert durch Marie Luise Heuschkel, hatten Studierende der Forensik die Möglichkeit verschiedene 3D-Handscanner zu erproben. Zur Auswahl standen drei Scanner aus dem Hause Artec, der Artec Leo, Artec Eva und der Artec SpaceSpider.
Alle drei Geräte erfassen die Oberfläche eines Objekts dreidimensional. Dafür projizieren sie ein Muster auf die Oberfläche und berechnen aus dessen Veränderung zusammen mit den aufgenommenen Bilddaten die Geometrie. „Im Grunde funktionieren alle Scanner ähnlich, die Art zu scannen und das Endergebnis sind jedoch unterschiedlich", resümierte Luna Sonntag, eine teilnehmende Studentin. In der praktischen Arbeit zeigten sich die Unterschiede vor allem bei Auflösung, Erfassungsausschnitt, Mobilität und Handhabung.
Die Studierenden arbeiteten mit Objekten unterschiedlicher Größe, Oberfläche und Komplexität: einem anatomischen Schädelmodell, einer realgetreuen Silikonhand, einem Miniaturauto und einem Antriebsgehäuse. Claudius Petzold, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fakultät Ingenieurswissenschaften und routinierter Anwender, der additive Fertigung und 3D-Scanning praktisch verbindet, begleitete den Workshop mit wertvollen Insidertipps. Seine Hinweise stammten aus der praktischen Erfahrung und halfen den Studierenden, schnell einen sicheren Zugang zur Technik und zu ihrem praktischen Einsatz zu finden.
Im Mittelpunkt stand nicht nur die Bedienung der Geräte. Die eigentliche Frage lauteten sehr schnell:
Welcher Scanner passt zu welchem Anwendungszweck? Wie viel Detail ist notwendig? Ist ein autonomes, kabelloses Gerät gefragt, oder ein Scanner mit höherer Präzision und kleinerem Erfassungsausschnitt? Denn Qualität und Präzision haben ihren Preis. Entscheidend ist deshalb immer, welche Anforderungen ein konkreter Anwendungsfall tatsächlich stellt.
Drei Scanner, drei Arbeitsweisen
Artec Eva:
schnell und zweckmäßig
Mit dem Artec Eva konnte am schnellsten gearbeitet werden, auch weil für es beim praktischen Einsatz nicht zu einem Abbruch durch Orientierungsverlust kam. Für die Silikonhand erwies sich das Gerät als besonders zweckmäßig, da für die Aufgabe keine Detailaufnahmen gefordert waren, es sollte lediglich die Form erfasst werden.
Besonders feine Strukturen wie die Fingerkuppen stellten vor allem Leo und Space Spider vor Herausforderungen. Der Eva erfasste zwar nicht jedes einzelne Detail, hielt aber Kontur und Struktur der Hand auch an diesen Stellen zuverlässig fest. Fehlende Bereiche mussten deshalb hauptsächlich bei den Datensätzen von Leo und Space Spider anschließend in der Software geprüft und nachbearbeitet werden.
Artec Leo:
mobil, autonom und anspruchsvoll
Der Artec Leo arbeitet autonom und benötigt während des Scanvorgangs keine Kabelverbindung zu einem Laptop. Dadurch lässt er sich ausgesprochen flexibel einsetzen, etwa dann, wenn das Objekt nicht bewegt werden kann und stattdessen vor Ort gescannt werden muss.
Die Ausstattung bringt allerdings zusätzliches Gewicht mit sich, weshalb der Scanner über längere Zeit anstrengender in der Hand zu halten ist. Auch der vergleichsweise großzügige Erfassungsausschnitt erfordert eine passende Strategie: Kleine Objekte lassen sich mit dem Leo häufig besser zusammen mit einem größeren Objekt scannen, damit das System ausreichend Orientierungspunkte findet.
So sieht ein Artec Leo im Einsatz aus.
Artec Space Spider:
detailreich und präzise
Der Artec Space Spider lieferte im Vergleich die detailreichsten Ergebnisse, verlangte dafür aber besonders langsames und kontrolliertes Arbeiten. Nur so konnte die Software die neuen Aufnahmen zuverlässig zuordnen.
Ein zweiter Test mit dem Space Spider galt einem kleinen Spielzeugauto. Dabei zeigten sich weitere typische Herausforderungen. Die Fensterscheiben erzeugten Spiegelungen, die eine präzise Erfassung erschwerten. Ein Mattierungsspray hätte die glänzenden Bereiche reduzieren können.
Auch das anschließende Zusammenführen der oberen und unteren Fahrzeughälfte in der zu den Scannern gehörenden Software ArtecStudio erforderte sorgfältiges Arbeiten. Beide Teilscans mussten exakt ausgerichtet werden, da schon kleine Abweichungen im zusammengesetzten Modell zu sichtbaren Ungenauigkeiten führten. Der Space Spider liefert damit die detailreichsten Ergebnisse, erfordert aber ein besonders sorgfältiges Vorgehen.
Scannen heißt: beobachten, entscheiden, anpassen
Die Scanner geben während des Vorgangs direktes Feedback. Farbskalen zeigen, ob der Abstand zum Objekt im optimalen Erfassungs- bzw. Messbereich liegt: Blau steht für einen zu großen Abstand, Rot für einen zu kleinen. Ein weiterer Farbmodus macht sichtbar, welche Bereiche bereits erfasst wurden und wo noch Informationen fehlen.
Obwohl diese Rückmeldungen helfen, ersetzen sie nicht die Entscheidung der Person hinter dem Scanner. Je nach Objekt kann es sinnvoll sein,
- das Objekt in einem Durchgang zu erfassen,
- mehrere Scanabschnitte anzulegen,
- das Objekt zu drehen,
- einen Drehteller einzusetzen oder
- selbst um das Objekt herumzugehen.
Hinzu kommen zahlreiche Einstellungsmöglichkeiten. Welche Auswirkungen sie auf das gesamte Objekt haben, lässt sich nicht allein aus dem Handbuch ableiten. Es braucht Beobachtung, Erfahrung und die Bereitschaft, verschiedene Vorgehensweisen praktisch zu testen. Genau dieses Erfahrungswissen vermittelte Claudius Petzold im Workshop aus seiner täglichen Arbeit mit additiver Fertigung und 3D-Digitalisierung.
Vom Scan zum 3D-Modell
Nach der Aufnahme ging die Arbeit in Artec Studio weiter. Die Studierenden entfernten zunächst unerwünschte Bereiche, die beim Scannen miterfasst worden waren, aber nicht zum eigentlichen Objekt gehörten. Anschließend mussten die Scanabschnitte korrekt positioniert und im Koordinatensystem ausgerichtet werden.
Bei mehreren Scandurchgängen werden Position und Orientierung der einzelnen aufgenommenen Frames bestimmt und in ein gemeinsames Koordinatensystem überführt (Registration), sodass eine konsistente, zusammenhängende Punktwolke beziehungsweise ein zusammengehöriges Scan-Set entsteht.
Den Abschluss bildet die Verarbeitung der registrierten Daten zu einem geschlossenen 3D-Modell (Fusion). Im Workshop wurde Artec Studio in der Version 18 verwendet. Die neuere Version 20 kann bestimmte Arbeitsschritte stärker automatisieren. Jedoch gerade weil im Workshop noch nicht alle Abläufe automatisiert waren, wurden die einzelnen Entscheidungen und ihre Auswirkungen besonders sichtbar.
Erfahrung, Beobachtung, Anpassung: die eigentliche Kompetenz
Das Ziel des Workshops bestand nicht allein darin, technisches Können zu vermitteln. Die Studierenden sollten erfahren, dass zuverlässige 3D-Digitalisierung Routine und Erfahrung voraussetzt und zugleich Raum für neugieriges, kreatives Lernen bietet.
Entscheidend ist die Verbindung aus Ausprobieren, Beobachten, Schlussfolgern und Anpassen. Genau darin zeigt sich ein wesentlicher Aspekt forensischer Arbeit: Es genügt nicht, ein Verfahren zu kennen. Man muss beurteilen können, wie es unter konkreten Bedingungen eingesetzt wird, welche Grenzen es hat und wie sich die Ergebnisse mit anderen Methoden und Wissensbeständen verbinden lassen.
3D-Digitalisierung ist deshalb kein Selbstzweck. Ihr Wert entsteht dort, wo digitale Daten eine belastbare Untersuchung, Vermessung oder Rekonstruktion ermöglichen.
Digitale Objekte als Grundlage forensischer Arbeit
"Im forensischen Kontext können 3D-Scans dazu beitragen, Objekte und Spuren präzise zu dokumentieren. Sie ermöglichen es, Tatorte oder Beweisstücke digital zu sichern und später detailliert zu analysieren. Dadurch können beispielsweise Rückschlüsse auf den Tathergang gezogen oder Spuren objektiv ausgewertet werden.",
beschreibt Marie Witthuhn, eine weitere Teilnehmerin, den Nutzen.
„Die 3D-Digitalisierung ermöglich Tatorte oder Beweisstücke digital zu sichern und später detailliert zu analysieren. Dadurch können beispielsweise Rückschlüsse auf den Tathergang gezogen oder Spuren objektiv ausgewertet werden.“ Mögliche Anwendungsfelder sind unter anderem:
- die Rekonstruktion von Tatgeschehen und die Prüfung forensischer Hypothesen,
- die digitale Untersuchung und Vermessung von Objekten,
- die Dokumentation und Analyse von Skeletten,
- die Vorbereitung von Gesichtsweichteilrekonstruktionen sowie
- die Erstellung und Nutzung digitaler Referenzobjekte.
Kooperation als Lern- und Forschungsraum
Der Workshop zeigte, wie gewinnbringend der Austausch zwischen Forensik und Konstruktion ist. Die Fachgruppen bringen unterschiedliche Perspektiven, Geräte und Erfahrungen ein. Die Forensik formuliert konkrete Fragen an Objekte und Spuren. Konstruktion und additive Fertigung ergänzen technisches Know-how zur Erfassung, Verarbeitung und Weiterverwendung digitaler Modelle.
So wird aus einem Scanner mehr als ein Aufnahmegerät. Er wird zum Werkzeug für interdisziplinäres Arbeiten. Und aus einem physischen Objekt kann eine digitale Grundlage entstehen, die neue Untersuchungen, Rekonstruktionen und Erkenntnisse ermöglicht.