Die Arbeit auf der Bucova Pusta IV (Rumänien) - Vermessung, HDR und SFM in der Anwendung

Das Areal um die Bucova Pusta IV - Blick nach Süden. Erstellt von Ioan Vasilcin © RAIKO KRAUSS 2013

Ob nun Fotografie, Vermessung oder Datenbanken - archäologisches Arbeiten ist schon im Gelände maßgeblich auf Technikanwendungen und EDV angewiesen. Eine kleine Auswahl jener Methoden, die im Rahmen der Grabung 2013 auf der frühneolithischen Freilandfundstelle Bucova Pusta IV in Rumänien zum Einsatz gekommen sind, werden im folgenden vorgestellt. Neben dem Projektleiter Dr. Raiko Krauß kommt Jonas Abele M. A. ein großer Verdienst in Einführung und Erprobung der Methoden im Rahmen der Grabung zu.

Es soll ein recht konkreter Eindruck von Anwendung und Nutzen der Techniken vermittelt werden, um dem interessierten Leser die Möglichkeit zu geben, sich eine Methode für die eigene Projektarbeit zu erschließen.

 

Tatsächlich wurde die absolute Mehrzahl der Dokumentationsprozesse in den Kampagnen 2010, 2012 und 2013 auf der Bucova Pusta IV digital ausgeführt. Dazu standen verschiedene Verfahren zur Verfügung:
1. Raumpunktaufnahme und Vermessung mit der Total Station zur Verarbeitung in CAD und GIS
2. Hochauflösenden Digitalfotografie und Fotogrammetrie
3. Generierte High Dynamic Range Bildaufnahmen
4. 3D-Modelle auf Grundlage von Structure from Motion
5. Dokumentation aller Arbeitsschritte mit Intervall-Aufnahmen

 

Die Aufnahme der absoluten räumlichen Position von Einzelfunden und Befundgrenzen verknüpft mit (georeferenzierten) Bilddaten und verschriftlichen Metainformationen zum Ausgrabungsablauf eröffnet für die archäologische Auswertung heute beeindruckende Möglichkeiten der Erforschung und Rekonstruktion einer Fundplatzgenese. Die konzentrierte Ermittlung und Speicherung dieser Daten unterscheidet moderne Archäologie von den Ausgrabungen des 19. und frühen 20. Jahrhunderts. Oft ergibt sich erst aus der an die Grabung anschließenden Auswertung des gesammelten Datenschatzes eine koherente Interpretation von Stratigraphie und Relation der erfassten Komplexe. Diese Ergebnisse können dergestalt leicht von einem externen Forscher, der nur die aufgenommenen Daten zur Verfügung hat, nachvollzogen werden.

 

 

Einzelfunde und Radiokarbondatierungsproben der Schnitte G und H. Geomagnetik Schaubild von Eastern Atlas (Berlin). Erstellt von Clemens Schmid. © RAIKO KRAUSS 2013

Auf der Bucova Pusta IV wurden die einzelnen Feature und Hauptprofile nicht von Hand im Feld gezeichnet, sondern digital eingemessen und fotografiert (Ein Feature ist nicht als vollständiger Befund zu verstehen, sondern als im Rahmen einer Arbeitshypothese festgelegte Anspracheeinheit. Ein Befund nach herkömmlichem Verständnis kann sich also aus mehreren Features zusammensetzen.). Fotogrammetrie-Aufnahmen – also georeferenzierte Bilder der zu dokumentierenden Einheiten – erlaubten eine digitale Nachbereitung der Feldmessungen. Idealerweise erfolgt eine möglichst zeitnahe Nachbearbeitung der im Feld erhobenen Daten mit den entsprechenden Programmen, um Fehlerquellen erkennen und gegebenenfalls durch nachträgliche Messungen korrigieren zu können. HDR-Aufnahmen erleichterten diese interpretative Tätigkeit enorm: Farbunterschiede können mit den errechneten Hochkontrastbildern mitunter sogar besser erkannt werden, als das im Feld unter schwierigen Lichtverhältnissen möglich ist. Fotogrammetrie ist naturgemäß nur in der Lage, Flächen aufzunehmen und kann keine ausgeprägt reliefierten Strukturen abbilden. Aus diesem Grund wurde mit Structure from Motion eine weitere Dokumentationstechnik zum Einsatz gebracht, die das einfache Erstellen von texturierten 3D-Modellen erlaubt. Das erwies sich besonders für die im Endplanum sichtbaren Negative der Grubenbefunde als außerordentlich effizient. Durch eine auf eine Leiter montierte Outdoorkamera wurde das Grabungsgeschehen während der Kampagne 2013 durch minütliche Intervallaufnahmen fotografisch festgehalten.

Die schriftliche Dokumentation der Feature in dafür angelegten Formularbögen und dem Grabungstagebuch lief weitestgehend analog und unabhängig von der erläuterten, digitalen Befundaufnahme ab. In diesem Zusammenhang ist abschließend nur noch auf die EDV-gestützte Weiterverarbeitung der schriftlichen Interpretationsergebnisse mit dem Harris-Matrix-Programm Stratify hinzuweisen. Auf die Fundverarbeitung vor Ort mit Zeichnung, Fotografie und Keramik-Datenbank kann im Rahmen dieses Artikels nicht eingegangen werden.

 

Ein an dieser Stelle knapp zu umreissendes Problem ergab sich aus der Tatsache, dass ein großer Teil der interpretativen Leistung, die im Kontext der Grabungsdokumentation erforderlich war, erst erhebliche Zeit nach der Grabung ausgeführt wurde. Dadurch konnte zwar im Feld viel Zeit gespart werden – die rein technische Aufnahme eines Profils konnte teilweise bereits in 30 min abgeschlossen sein – andererseits mussten unter Umständen relevante Deutungsentscheidungen später auf einer reduzierten Datenbasis getroffen werden.

Total Station, CAD und GIS

Fotogrammetrie-Bild und Umzeichnung des Planums von Feature 1/G&H. Erstellt von David Kirschenheuter. © RAIKO KRAUSS 2013

Für die Einmessung 2010, 2012 und 2013 kam ein Tachymeter der Firma Leica Geosystems (TS02) zum Einsatz. Alle Koordinaten wurden in Relation zum rumänischen Kartennetzentwurf Proiecția Stereografică 1970 (Stereo70) aufgenommen. Das ist darauf zurückzuführen, dass für die in unmittelbarer Nähe der Fundstelle künstlich eingerichteten Geofixpunkte von der rumänischen Vermessungsbehörde per DGPS (Differential Global Positioning System) Koordinaten ermittelt und in diesem Bezugssystem weitergegeben wurden. Diese Daten können – leider unter geringfügigem Genauigkeitsverlust – in gebräuchlichere geodätische Referenzsysteme wie etwa das World Geodetic System 1984 (WGS84) übertragen werden.
Das verwendete Tachymeter speichert Messpunkte mit einer Vielzahl von Zusatzinformationen. Nur ein Bruchteil davon wird schließlich ausgelesen und in einer .dat-Datei im ASCII-Format abgelegt. Entscheidend sind Messnummer, Code und Positionsdaten für alle drei Raumachsen. Der Code dient als Signatur für eine korrekte Interpretation des Messpunkts und seiner Bedeutung, wie sie vom
kostenpflichtigen AutoCAD (für Studierende kostenlos verfügbar) Add-In ArchaeoCAD vorgenommen wird. Diese automatische Planzeichnung liefert für Planums- und Profilaufnahmen bei korrekter Codeverwendung durch simples Einlesen der Daten einen fertigen Plan mit entwickeltem Layermanagement, der im Folgenden mit CAD- (Computer-Aided Design) und GIS-Software (Geographische Informationssysteme) korrigiert, bearbeitet und um Raster- und Vektorgrafikelemente erweitert werden kann.

Digital-Fotografie und Fotogrammetrie

Für die ersten Grabungstage 2013 stand für alle Aufnahmen im Feld eine digitale Spiegelreflexkamera vom Typ Nikon D3000 (10,2MP), später dann eine Nikon D5000 (12,3MP) mit Standard VR-Objektiv (18-55mm Brennweite) zur Verfügung.
Alle Aufnahmen wurden mehrfach ausgeführt – mitunter angepasst an die besonderen Voraussetzungen, die die Nachbearbeitung erfordert. So wurden für die HDR-Bilder Belichtungsreihen aufgenommen und für Fotogrammetrie Motive in mehreren, getrennten Einzelbildern aufgenommen, die später zusammengesetzt werden können. Die Bilder wurden als .jpg gespeichert – dennoch stieg das erzeugte Datenvolumen auf mehr als 55 GB. Hierbei einbezogen sind allerdings die teilweise sehr speicherplatzintensiven Fotogrammetrie-Bilder. Fotogrammetrie ist ein digitales Verfahren zur Verortung und trapezoiden Entzerrung von Bildern im Raum, das es erlaubt, Pläne mit maßstabsgetreuen Rastertexturen zu versehen (Finsterwalder u. a. 1968, 15-21.). Diese können als Grundlage für die Anpassung von Planzeichnungen dienen. Voraussetzung für die Georeferenzierung von Bildern sind eingemessene Referenzpunkte, die auf dem Bild sichtbar und identifizierbar sind. Im Rahmen des Projekts auf der Bucova Pusta IV wurde das kostenpflichtige AutoCAD Add-in PhoToPlan für die Fotoentzerrung direkt im CAD-Programm verwendet.

High Dynamic Range

Planum 1 von Feature 1/G&H - Ergebnis aus der Verarbeitung als HDR-Bild. Erstellt von Clemens Schmid. © RAIKO KRAUSS 2013

Ein High Dynamic Range Bild (HDR-Bild) ist ein Bild mit hohem Dynamikumfang
(Kontrastumfang). Das bedeutet, dass das Spektrum maximaler und minimaler Leuchtdichte eines Motivs sehr hoch ausfällt, wobei man unter Leuchtdichte die orts- und richtungsabhängige Qualität einer Lichtquelle versteht. Eine reale Tageslichtszene enthält einen Kontrastumfang von etwa 100000:1, während eine Digitalkamera nur einen Kontrastumfang von 1000:1 abbilden kann. Die Folge ist, dass helle Oberflächen auf einem so entstandenen Bild weiß und dunkle schwarz erscheinen, ohne dass in ihnen sichtbare Texturen noch erkennbar wären.

 

Um dieses Problem zu lösen, existieren Kameras mit komplexeren Bildsensoren, die in der Lage sind, einen größeren Kontrastumfang aufzunehmen. Diese sind allerdings noch experimentell oder sehr teuer. Aus diesem Grund muss für die Erstellung von HDR-Bildern auf die Möglichkeit zurückgegriffen werden, mehrere Bilder, die jeweils dasselbe Motiv mit unterschiedlichem Lichtwert (Wert, der alle Kombinationen von Blendenöffnung und Verschlusszeit enthält, die eine gewisse Menge Licht auf den Bildsensor einwirken lassen) zeigen, digital zusammenzuführen. Diese können im Feld leicht mithilfe eines Stativs und jeweils manueller Lichtwerteinstellung angefertigt werden (Wagner 2010.). Moderne Spiegelreflexkameras verfügen darüber hinaus oft über eine Belichtungsreihenautomatik, die das Erstellen der Einzelbilder erleichtert. In der Regel wurden fünf einzelne Aufnahmen mit einem Lichtwertabstand von je zwei Einheiten angefertigt.

 

HDR-Bilder können nicht in üblichen Rastergrafikformaten wie .jpg oder .png gespeichert werden. Daher muss auf alternative Speicherformate wie .tiff oder Spezialentwicklungen wie .hdr/.pic (Radiance HDR) oder .exr (OpenEXR) zurückgegriffen werden. Darüber hinaus eignen sich herkömmliche Bildschirme oder Ausdrucke nicht für die Darstellung von HDR-Bildern. Tatsächlich muss das HDR-Bild für eine weitere Nutzbarkeit wieder in ein Low Dynamic Range Bild (LDR-Bild) umgerechnet werden. Das dafür zur Anwendung gebrachte Verfahren wird als Tone Mapping bezeichnet. Die naturgetreue Helligkeitserfassung geht verloren, stattdessen können in Abhängigkeit von verschiedenen Tone Mapping Operatoren bestimmte Eigenschaften des HDR-Bilds betont bzw. überbetont werden. So kann je nach Bedürfnis ein möglichst natürlicher Farb- und Helligkeitseindruck, möglichst hoher Detailreichtum oder ein surreales Kunstwerk erzielt werden. Das erstellte Bild kann in konventionellen Rastergrafikformaten gespeichert werden (Als Einsteigerlektüre sind die Softwarehandbücher von LuminanceHDR und Photomatix Pro zu empfehlen.). Für die Verarbeitung der Bilder der Bucova Pusta IV wurde das kostenpflichtige Programm Photomatix Pro 4.2.7 von HDRSoft verwendet.

 

Für die digitale Umzeichnung von Plana und Profilen eignen sich die Hochkontrastbilder sehr gut, da sich Farbunterschiede besser erkennen lassen. Zudem kann mit einem HDR-Bild ein Bild beliebigen Lichtwerts errechnet werden und so die jeweils beste Lichtwerteinstellung auch nach der Arbeit im Feld noch angepasst werden. Das erhält eine besondere Bewandtnis, wenn die natürlichen Lichtverhältnisse für die Fotografie etwa in der Dämmerung ungünstig ausfallen.

Structure from Motion

SFM-Modell von Planum 1 von Feature 1/G&H. Deutlich zu erkennen ist die große Menge an Hüttenlehm und Keramikfragmenten, die in der Grube angetroffen wurden. Besonders markiert ist ein gut erhaltenes, asymmetrisches Gefäß, das scheinbar vor oder während dem Brennen verformt wurde. Erstellt von Clemens Schmid. © RAIKO KRAUSS 2013

Structure from Motion ist ein Überbegriff für verschiedene computergestützte Verfahren, 3D-Vektormodelle aus 2D-Rastergrafiken zu entwickeln. Basierend auf verschiedenen Analysealgorithmen wird zunächst die relative Position von Vergleichspunkten aus einer Bildersammlung, die das zu erfassende Objekt aus verschiedenen Perspektiven zeigt, ermittelt. Die dadurch entwickelte Punktwolke kann durch Triangulation zu einem Modell vervollständigt und anschließend aus Informationen von den zugrunde liegenden Rastergrafiken texturiert werden. Das Verfahren erlaubt es, in sehr kurzer Zeit und mit sehr geringem Kostenaufwand ein texturiertes 3D-Modell einer Struktur – etwa eines Grubennegativs – anzufertigen. Dieses kann im Anschluss daran georeferenziert und mit anderen aufgenommenen Raumdaten verknüpft werden. Abgesehen von diesem letzten Schritt ist für die Erstellung des 3D-Modells über eine Digitalkamera und einen leistungsstarker Computer hinausgehend keine weitere Hardware oder Vermessungstechnik notwendig (zur Anwendung: Torres u. a. 2012. zur Theorie: Jebara u. a. 1999.).

 

Auf der Bucova Pusta IV wurde das Verfahren im Rahmen der Kampagne 2013 erstmals angewandt und erwies sich als außerordentlich potent. Es wurde in 19 Fällen zur Dokumentation von Grabungssituationen und Abschlussflächen verwendet, die aufgrund starker Reliefierung nicht mit Fotogrammetrie erfasst werden konnten. Dabei wurden jeweils 30-80 Fotografien des Motivs aus verschiedenen Perspektiven angefertigt, die dann mit der kostenpflichtigen Software PhotoScan Professional weiterverarbeitet wurden. Dafür kam ein Projekt-Desktop-System Intel Core i5 Prozessor und 8 GB Arbeitsspeicher zum Einsatz (es lohnt sich den Arbeitsspeicher virtuell durch Vergrößerung der Auslagerungsdatei aufzustocken). Die Berechnung dauerte auf mittlerer bis hoher Qualitätsstufe je 20-40 Stunden. Das 3D-Modell liegt zunächst in einem proprietären Format (.psz) vor, kann aber leicht in andere 3D-Vektor- oder Rastergrafikformate exportiert werden.

Intervall-Aufnahmen und Zeitraffer

GoPro-Aufnahme vom 34. Grabungstag der Kampagne 2013 - Blick nach Süden auf die Schnitte G und H. © RAIKO KRAUSS 2013

Um alle Arbeitsschritte, die 2013 im Feld durchgeführt wurden, zu dokumentieren wurde auf einer Leiter oberhalb des jeweils nach Entscheidung der Grabungsleitung relevanten Grabungsbereichs eine Outdoorkamera montiert. Vor- und nachmittags konnte dadurch über einen Zeitraum von bis zu 3,5 Stunden die aktuelle Grabungssituation jeweils im Abstand von einer Minute dokumentiert werden. Die eingesetzte Kamera ist eine GoPro HERO3 White Edition, die mit 5MP Bildern und einem 150° großen Aufnahmewinkel wertvolle Einzelaufnahmen liefert, wobei bedingt durch diesen Aufnahmewinkel ein deutlicher Fisheye Effekt auftritt. An den 36 Grabungstagen der Kampagne 2013 wurden etwa 11000 verwertbare Einzelbilder mit einem Gesamtdatenvolumen von mehr als 39GB erzeugt. Für jeden Grabungstag konnte aus diesen Bildern ein Zeitraffer-Video erstellt werden, das den Grabungsfortschritt gut wiedergibt. Letzteres wurde mit einem Bash-Skript automatisiert, das seinerseits das Free-Ware Programmen Lupas-Rename zur Umbenennung der Bilddateien und anschließend das Open-Source-Tool ffmpeg zur Videoverarbeitung aufruft. Das Konvertieren und – wesentlich – Verkleinern des Videos wurde mit der Free-Ware-Programm Format Factory durchgeführt. Um das Skript nutzen zu können, müssen nach der Installation von Lupas-Rename zwei Konfigurarionsdatein in das Programmverzeichnis kopiert werden: config.ini und null.ini. Zudem müssen Lupas-Rename und ffmpeg in die Windows-Path-Variable eingetragen werden - wie das geht könnt ihr z.B. hier nachlesen. 

Weitere Beiträge zum Thema:

TArchIT und praehistorische-archaeologie.de

TArchIT ist eine studentische Arbeitsgruppe an der Universität (Tübingen). Sie stellt eine Austauschplattform für sämtliche Technikanwendungen in der Archäologie dar.

Die Arbeitsgruppe ist ein eigenständiger Teil von praehistorische-archaeologie.de und auch im Forum anzutreffen.

Bucova Pusta IV

Die Ausgrabung auf der Bucova Pusta IV in Rumänien begann 2009 als Kooperation des Instituts für Ur- und Frühgeschichte und Archäologie des Mittelalters der Eberhard Karls Universität Tübingen und dem Museum des Banats in Timişoara. Seit 2012 wird sie durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziert.

Projektleiter ist Dr. Raiko Krauß (Universität Tübingen).

Dieser Beitrag ist ein Exzerpt aus meiner Bachelor-Arbeit und wurde mit freundlicher Erlaubnis von Herrn Krauß veröffentlicht.

Verwendete Literatur

Autor Titel Seite
R. Finsterwalder u. a. Photogrammetrie (Berlin 1968) -
R. Wagner Profibuch HDR-Fotografie (Poing 2010) -
J. C. Torres u. a. 3D Digitization using Structure from Motion. In: I. Navazo/G. Patow (Hrsg.), CEIG - Spanish Computer Graphics Conference (2012) -
T. Jebara u. a. 3D Structure from 2D Motion. IEEE Signal Processing Magazine 16/1999 66-84.

Download

Zeitraffer-Skript.zip

Bash-Skript zur Erstellung von Zeitraffervideos

config.zip

Konfigurationsdatei 1 für LupasRename

null.zip

Konfigurationsdatei 2 für LupasRename

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