Methods for 3D Geometry Processing in the Cultural Heritage Domain

This thesis presents methods for 3D geometry processing under the aspects of cultural heritage applications. After a short overview over the relevant basics in 3D geometry processing, the present thesis investigates the digital acquisition of 3D models. A particular challenge in this context are on the one hand difficult surface or material properties of the model to be captured. On the other hand, the fully automatic reconstruction of models even with suitable surface properties that can be captured with Laser range scanners is not yet completely solved. This thesis presents two approaches to tackle these challenges. One exploits a thorough capture of the object’s appearance and a coarse reconstruction for a concise and realistic object representation even for objects with problematic surface properties like reflectivity and transparency. The other method concentrates on digitisation via Laser-range scanners and exploits 2D colour images that are typically recorded with the range images for a fully automatic registration technique. After reconstruction, the captured models are often still incomplete, exhibit holes and/or regions of insufficient sampling. In addition to that, holes are often deliberately introduced into a registered model to remove some undesired or defective surface part. In order to produce a visually appealing model, for instance for visualisation purposes, for prototype or replica production, these holes have to be detected and filled. Although completion is a well-established research field in 2D image processing and many approaches do exist for image completion, surface completion in 3D is a fairly new field of research. This thesis presents a hierarchical completion approach that employs and extends successful exemplar-based 2D image processing approaches to 3D and fills in detail-equipped surface patches into missing surface regions. In order to identify and construct suitable surface patches, selfsimilarity and coherence properties of the surface context of the hole are exploited. In addition to the reconstruction and repair, the present thesis also investigates methods for a modification of captured models via interactive modelling. In this context, modelling is regarded as a creative process, for instance for animation purposes. On the other hand, it is also demonstrated how this creative process can be used to introduce human expertise into the otherwise automatic completion process. This way, reconstructions are feasible even of objects where already the data source, the object itself, is incomplete due to corrosion, demolition, or decay.Methoden zur 3D-Geometrieverarbeitung im Kulturerbesektor In dieser Arbeit werden Methoden zur Bearbeitung von digitaler 3D-Geometrie unter besonderer Berücksichtigung des Anwendungsbereichs im Kulturerbesektor vorgestellt. Nach einem kurzen Überblick über die relevanten Grundlagen der dreidimensionalen Geometriebehandlung wird zunächst die digitale Akquise von dreidimensionalen Objekten untersucht. Eine besondere Herausforderung stellen bei der Erfassung einerseits ungünstige Oberflächen- oder Materialeigenschaften der Objekte dar (wie z.B. Reflexivität oder Transparenz), andererseits ist auch die vollautomatische Rekonstruktion von solchen Modellen, die sich verhältnismäßig problemlos mit Laser-Range Scannern erfassen lassen, immer noch nicht vollständig gelöst. Daher bilden zwei neuartige Verfahren, die diesen Herausforderungen begegnen, den Anfang. Auch nach der Registrierung sind die erfassten Datensätze in vielen Fällen unvollständig, weisen Löcher oder nicht ausreichend abgetastete Regionen auf. Darüber hinaus werden in vielen Anwendungen auch, z.B. durch Entfernen unerwünschter Oberflächenregionen, Löcher gewollt hinzugefügt. Für eine optisch ansprechende Rekonstruktion, vor allem zu Visualisierungszwecken, im Bildungs- oder Unterhaltungssektor oder zur Prototyp- und Replik-Erzeugung müssen diese Löcher zunächst automatisch detektiert und anschließend geschlossen werden. Obwohl dies im zweidimensionalen Fall der Bildbearbeitung bereits ein gut untersuchtes Forschungsfeld darstellt und vielfältige Ansätze zur automatischen Bildvervollständigung existieren, ist die Lage im dreidimensionalen Fall anders, und die Übertragung von zweidimensionalen Ansätzen in den 3D stellt vielfach eine große Herausforderung dar, die bislang keine zufriedenstellenden Lösungen erlaubt hat. Nichtsdestoweniger wird in dieser Arbeit ein hierarchisches Verfahren vorgestellt, das beispielbasierte Konzepte aus dem 2D aufgreift und Löcher in Oberflächen im 3D unter Ausnutzung von Selbstähnlichkeiten und Kohärenzeigenschaften des Oberflächenkontextes schließt. Um plausible Oberflächen zu erzeugen werden die Löcher dabei nicht nur glatt gefüllt, sondern auch feinere Details aus dem Kontext rekonstruiert. Abschließend untersucht die vorliegende Arbeit noch die Modifikation der vervollständigten Objekte durch Freiformmodellierung. Dies wird dabei zum einen als kreativer Prozess z.B. zu Animationszwecken betrachtet. Zum anderen wird aber auch untersucht, wie dieser kreative Prozess benutzt werden kann, um etwaig vorhandenes Expertenwissen in die ansonsten automatische Vervollständigung mit einfließen zu lassen. Auf diese Weise werden auch Rekonstruktionen ermöglicht von Objekten, bei denen schon die Datenquelle, also das Objekt selbst z.B. durch Korrosion oder mutwillige Zerstörung unvollständig ist