Photogrammetrie in der zeitgenössischen Malerei

Photogrammetrie ist eine Methode zur Erstellung dreidimensionaler Modelle von Objekten anhand von Fotografien aus verschiedenen Blickwinkeln. Ursprünglich im 19. Jahrhundert für Kartografie und Architekturvermessung entwickelt, hat diese Technologie in den letzten zwei Jahrzehnten unerwartete Anwendungen in der bildenden Kunst gefunden. Zeitgenössische Künstler, Restauratoren und Museumskuratoren nutzen photogrammetrische Verfahren, um Werke zu dokumentieren, neue künstlerische Ausdrucksformen zu schaffen und die Möglichkeiten der traditionellen Malerei zu erweitern.

Technologische Grundlagen der Photogrammetrie

Das Photogrammetrieverfahren basiert auf der Structure-from-Motion-Technologie (SfM), die mehrere überlappende Bilder eines Objekts analysiert. Computer-Vision-Algorithmen identifizieren gemeinsame Punkte in den verschiedenen Aufnahmen und berechnen deren räumliche Positionen. Die Software erstellt zunächst eine Punktwolke mit geringer Dichte, anschließend eine mit hoher Dichte, die in ein dreidimensionales Polygonnetz umgewandelt wird. Im letzten Schritt werden die Farbinformationen der Originalaufnahmen auf die resultierende Geometrie übertragen.

Moderne photogrammetrische Lösungen wie RealityCapture, Agisoft Metashape und 3DF Zephyr können Tausende von Bildern verarbeiten und Modelle mit Milliarden von Polygonen erstellen. RealityCapture arbeitet linear – die Verdopplung der Eingangsdatenmenge verdoppelt die Verarbeitungszeit, wodurch der Prozess vorhersehbar wird. Diese Programme extrahieren Texturinformationen durch die Erkennung dichter Muster auf Oberflächen: Text, Holzmaserung, Gesichtszüge und Muster.

Die Qualität des Ergebnisses hängt von mehreren Faktoren ab. Objekte mit einheitlichen Texturen oder reflektierenden Oberflächen stellen die Algorithmen vor Herausforderungen. Die richtigen Beleuchtungseinstellungen sind entscheidend – eine gleichmäßige Ausleuchtung ohne harte Schatten gewährleistet eine präzise Oberflächenrekonstruktion.

Dokumentation der Malerei durch Museumsinstitutionen

Weltweit nutzen große Museen die Photogrammetrie, um digitale Archive ihrer Sammlungen zu erstellen. Das Cleveland Museum hat eine 3D-Scanmethode entwickelt, die fotografische Genauigkeit mit metrischen Daten kombiniert. Diese Technologie ermöglicht die Erstellung von Modellen mit komplexen, reflektierenden Oberflächen und feinen Details, die in der Photogrammetrie traditionell als problematisch galten.

Die Dokumentation von Gemälden in Gigapixel-Auflösung – etwa 1000 Megapixel und höher – wird für führende Institutionen zum Standard. Das Museum der Schönen Künste in Valencia hat die SfM-Photogrammetrie-Methode angewendet, um eine detaillierte Dokumentation von Altarbildern zu erstellen. Der Prozess beginnt in einem Fotostudio, wo der Fotograf eine Reihe überlappender Bilder aufnimmt und so jedes Detail des Werkes mehrfach erfasst. Die Bilder werden in eine 3D-Modellierungssoftware geladen, die nach mehreren Bearbeitungsschritten das endgültige Modell erstellt.

Im Jahr 2019 scannte das Prado-Museum Fra Angelicos „Verkündigung“ unmittelbar nach einer umfassenden Restaurierung. Die Factum Foundation nutzte einen Lucida-Scanner und Panoramafotografie, um die dreidimensionale Geometrie und die Farben zu erfassen, während das Museum Infrarotreflektografie und Radiografie durchführte. Die Ergebnisse helfen Restauratoren und Kuratoren, den aktuellen Zustand des Gemäldes und die Geschichte früherer Restaurierungen besser zu verstehen.

Die Gigapixel-Visualisierung ermöglicht eine detaillierte, interaktive Betrachtung virtueller Museumsexponate. Betrachter können in das Kunstwerk eintauchen und Pinselstriche, Mikrorisse in der Farbschicht und die Textur der Leinwand entdecken – Details, die bei normaler Betrachtung selbst aus nächster Nähe unsichtbar sind.

Anwendung in der Restaurierung und Konservierung

Die Photogrammetrie revolutioniert die Dokumentation von Restaurierungsarbeiten. 1975 formulierte der italienische Wissenschaftler Cesare Brandi eine Restaurierungstheorie, die besagt, dass alle Eingriffe vollständig reversibel sein sollten. Die detaillierte Dokumentation aller Phasen des Konservierungsprozesses und die Möglichkeit, die Informationen später wieder abzurufen, werden daher unerlässlich.

Eine Studie an einer byzantinischen Ikone im Museum für Byzantinische Kunst Zyperns demonstrierte den Einsatz von Algorithmen zur Veränderungserkennung in Kombination mit Photogrammetrie zur Restaurierungsüberwachung. Die fotografische Dokumentation in mehreren Epochen ermöglichte die automatische und präzise Identifizierung von Veränderungen der bemalten Oberfläche in verschiedenen Arbeitsphasen. Die Methodik erfasste sowohl makroskopische Veränderungen als auch kleinste Details, wie etwa Retuschen an Schulterprofilen und das Schließen von Lücken in der Kleidung der dargestellten Personen.

Die romanischen Wandmalereien der St. Botolph’s Church in Hardham, Großbritannien, wurden mithilfe von SfM-Photogrammetrie experimentell untersucht. Die Methode wurde als zugängliches, portables, nicht-invasives und reproduzierbares System zur Überwachung des Erhaltungszustands entwickelt. Handelsübliche Fotoausrüstung und kostenlose Software dienten zur Erstellung und zum Vergleich von 3D-Punktwolken. Das Verfahren ermöglichte die Identifizierung von Veränderungen bis zu einer Größenordnung von 0,5 Millimetern.

Die Wandmalereien der Kathedrale von Valencia von Paolo de San Leocadio und Francesco Pagano wurden mittels multispektraler Photogrammetrie untersucht. Der Arbeitsablauf kombinierte nicht-invasive Bildgebungsverfahren vom ultravioletten und sichtbaren bis zum nahinfraroten Bereich. Die Kombination spektraler Bereiche in hybriden Falschfarbenbildern und deren Analyse mit NDVI-, NDPI- und PCA-Methoden ermöglichten es, Details der Ausführungstechnik und des Erhaltungszustands aufzudecken.

Photogrammetrie als kreatives Werkzeug

Zeitgenössische Künstler integrieren die Photogrammetrie direkt in ihren kreativen Prozess. Der französische Künstler Dimitri Daniloff nutzt diese Technologie, um Werke zu schaffen, die das Alltägliche verzerren und neue soziale Umgebungen erschaffen. Seine Auseinandersetzung mit der Photogrammetrie hat seine künstlerischen Möglichkeiten erweitert: Die Konstruktion dreidimensionaler Modelle aus verschiedenen Kameraperspektiven ermöglicht die Schaffung einer sozialen Leinwand, auf der Körper bewusst transformiert werden. Neue Räume entstehen am Rande der Realität, in denen der Betrachter zum Protagonisten wird.

Die taiwanesische Künstlerin Ya-Wen Fu, die in Deutschland und Taiwan arbeitet, nutzt 3D-Scanning, um ihre Objekte zu reproduzieren und zu skalieren. Das Scannen mit einem Artec Spider Scanner und die Nachbearbeitung in Artec Studio ermöglichen die Erstellung skalierbarer und editierbarer digitaler Modelle. Die 3D-Künstlerin verarbeitet die Scandaten und erstellt so ein Objekt, das sich für den 3D-Druck in jeder beliebigen Größe eignet.

Matte Painter im Filmbereich integrieren Photogrammetrie in ihren Produktionsprozess. Die Methode besteht darin, aus einer Bilderserie ein Modell zu erstellen und dieses anschließend in Mari oder Substance Painter zur Texturierung zu importieren. Die Projektion von Fotografien auf ein 3D-Modell ermöglicht einen Fotorealismus, der mit traditionellen Handmaltechniken nicht erreichbar ist.

Hyperrealismus und fotografische Referenzen

Die hyperrealistische Bewegung, eine Weiterentwicklung des Fotorealismus, basiert auf Jean Baudrillards Philosophie der „Simulation dessen, was nie existiert hat“. Hyperrealistische Gemälde und Skulpturen erzeugen eine überzeugende Illusion, die auf einer simulierten Realität – der digitalen Fotografie – beruht. Während der Fotorealismus die analoge Fotografie nachahmte, verwendet der Hyperrealismus hochauflösende digitale Bilder, die mit Digitalkameras aufgenommen und auf Computern dargestellt werden.

Hyperrealistische Künstler nutzen hochauflösende Fotografien als primäres Ausgangsmaterial und analysieren jede Nuance von Licht, Schatten, Reflexionen und Texturen. Dies erfordert ein tiefes Eintauchen in das Zusammenspiel von Licht und Form – das Verständnis dafür, wie Lichtquellen spezifische Schattenformen erzeugen und wie Licht gekrümmte Oberflächen umhüllt. Ziel ist es, nicht nur ein Abbild, sondern das Wesen der visuellen Realität einzufangen.

Professionelle Künstler nutzen regelmäßig fotografische Vorlagen in allen Disziplinen. Bildende Künstler arbeiten mit lebenden Modellen, erstellen Stillleben, studieren biologische Vorbilder oder organisieren Fotoshootings. Die renommierten amerikanischen Illustratoren Joseph Christian Leyendecker und Norman Rockwell sind für ihre Verwendung von Vorlagen bekannt – Leyendecker nutzte oft seinen Partner Charles Beach, während Rockwell mit dessen Hilfe ganze Fotoshootings organisierte.

Manche Konzeptkünstler zeichnen direkt Teile von Fotografien nach, erstellen Fotobashings oder nutzen 3D-Modelle als Ausgangspunkt. 3D-Modellierung und Referenzbilder sind unerlässlich für die Erstellung realistischer Werke mit komplexer Licht- und Schattengestaltung.

Texturierung und Oberflächenkartierung

Die photogrammetrische Texturierung kombiniert die Vorteile der Computerphotogrammetrie mit denen des Laserscannings. Laserscanning liefert durchweg präzisere geometrische Daten als die Photogrammetrie, während die Photogrammetrie in der Regel genauere Texturen erzeugt. Diese Methode wendet photogrammetrische Texturen auf lasergescannte Geometrien an und ermöglicht so die Erstellung hochpräziser digitaler Modelle.

Wird eine Texturkarte von einem photogrammetrischen Modell entfernt, erscheinen die Oberflächen glatter Objekte oft uneben oder holprig, während komplexe Oberflächen zu stark vereinfacht wirken. Ein kombinierter Ansatz löst dieses Problem: Durch die präzise Abbildung photogrammetrischer Texturen auf die Geometriedaten lasergescannter 3D-Modelle entsteht ein digitales Modell, das die Geometrie der Laserscans mit fotorealistischen Texturen vereint.

Die KIRI Engine 3D-Scanning-Anwendung erfasst sowohl Geometrie- als auch Texturdaten und rekonstruiert mithilfe von Photogrammetrie hochdetaillierte digitale Modelle. Die Technologie analysiert mehrere hochauflösende Bilder aus verschiedenen Blickwinkeln, um präzise Texturen zu generieren, die auf das 3D-Modell angewendet werden. Das Ergebnis ist ein vollständig UV-gemapptes Modell mit realistischen Oberflächendetails.

Die Erstellung fotografischer Texturen für digitale Kunst umfasst mehrere Schritte. Reality Capture wird aufgrund seiner Fähigkeit, hochpräzise 3D-Modelle realer Oberflächen zu erzeugen, häufig für das Scannen von Oberflächen empfohlen. Nach dem Scannen einer Oberfläche lassen sich alle notwendigen Informationen aus der realen Welt – Displacement Maps, Normalen, Farben und Umgebungsverdeckung – einfach extrahieren.

Digitale Werkzeuge und Software

RealityCapture ist eine photogrammetrische Software zur Erstellung nahtloser 3D-Modelle aus ungeordneten Fotos oder Laserscans. Typische Anwendungsbereiche sind Kulturerbe (Kunst, Archäologie, Architektur), Ganzkörperscans, Spieleentwicklung, Vermessung, Kartierung, visuelle Effekte und Virtual Reality. Zu den Funktionen gehören Bildregistrierung, automatische Kalibrierung, Netzgenerierung, Farbgebung, Texturierung, Georeferenzierung und Export in verschiedene Formate.

Das Programm kombiniert Kamerabilder und Laserscans mit geringem Hardwareaufwand. Dank seiner linearen Arbeitsweise verdoppelt sich die Verarbeitungszeit bei einer Verdopplung der Eingangsdaten. Museen und Restaurierungswerkstätten nutzen RealityCapture, um digitale Modelle von Kunstwerken für Dokumentationen, virtuelle Ausstellungen und Bildungsprojekte zu erstellen.

Agisoft Metashape und 3DF Zephyr sind alternative Lösungen, die ebenfalls häufig für das Oberflächenscanning eingesetzt werden. Vergleichende Studien verschiedener photogrammetrischer Software zeigen, dass die durchschnittlichen Restfehler bei der Registrierung oder photogrammetrischen Auswertung je nach gewählter Software, Größe und Komplexität des Objekts sowie den Umgebungsbedingungen zwischen 4 und 16 Millimetern liegen. Die höchste Vollständigkeit und Qualität des resultierenden 3D-Modells wird durch die Kombination von Laserscanning- und Bilddaten erzielt.

Halbprofessionelle mobile Apps wie Polycam demokratisieren den Zugang zur Photogrammetrie. Die Erstellung eines interaktiven 3D-Modells eines Wandgemäldes des Künstlers Roberto Cueva del Río demonstrierte den Wert eines präzisen und nicht-invasiven digitalen Workflows, der die Ziele der Denkmalpflege und der Bildung unterstützt.

Methodische Herausforderungen

Die Dokumentation von Gemälden stellt aufgrund des oft großen Formats der Werke, der unebenen Oberfläche der Farbschicht, der vielfältigen Oberflächenbeschaffenheit und der Zugangsprobleme besondere technische Herausforderungen dar. Die photogrammetrische Erfassung sowohl der Topografie als auch feiner Oberflächendetails von Wandmalereien erfordert daher eine sorgfältige Festlegung der Aufnahmeeinstellungen.

Die byzantinische Ikone erforderte präzise Lichteinstellungen und eine gleichmäßige Ausleuchtung, um radiometrische Artefakte zu vermeiden, die die photogrammetrische Rekonstruktion und die Identifizierung der Restaurierungsphasen beeinträchtigen könnten. Die korrekte Ausrichtung der einzelnen Bildsätze muss so präzise wie möglich sein, um Fehler auszuschließen.

Große Deckengemälde in Kirchen und Palästen stellen aufgrund der Raumgeometrie, der Lichtverhältnisse und des eingeschränkten Zugangs besondere Herausforderungen dar. Im Rahmen des Projekts Plafond3D wurde CHAPI (Cultural Heritage Automated Photogrammetric Imaging) entwickelt – eine kostengünstige, halbautomatische Lösung zur detailreichen Erfassung großer Gewölbedeckengemälde. Diese Methode ermöglicht eine effiziente Erfassung mit einem konsistenten photogrammetrischen Netzwerk in kurzer Zeit.

Hypogäume stellen aufgrund des fehlenden natürlichen Lichts, der beengten Räume und der empfindlichen Farboberflächen methodische Herausforderungen dar. Ein integrierter Arbeitsablauf zur Dokumentation des Orco-Grabmals in Tarquinia kombinierte terrestrisches Laserscanning, Photogrammetrie und Lichtmalerei. Die aus der Fotografie entlehnte Lichtmalerei diente als dynamische Beleuchtungsstrategie während der photogrammetrischen Vermessung, um ungleichmäßige Ausleuchtung und harte Schatten zu vermeiden.

Farbgenauigkeit beibehalten

Die Farben von Kunstwerken sind eine wertvolle Informationsquelle, die sorgfältig verarbeitet und bewahrt werden muss, da digitale Werkzeuge Farbveränderungen hervorrufen oder die Farben sogar vollständig zerstören können. Die Forschung zur Erhaltung der Farbgenauigkeit in der Photogrammetrie für die Konservierung von Kulturgütern hat ein Verfahren entwickelt, das die Farbtreue der Modelle erfolgreich bewahrt.

Um Farben präzise zu erfassen, verwenden Künstler und Restauratoren Kalibrierungsfarbkarten, fotografieren im RAW-Format und bearbeiten die Fotos in Adobe Camera Raw oder anderen Kalibrierungsprogrammen vor, bevor sie diese in photogrammetrische Software importieren. Multispektrale Bildgebung im Bereich von Ultraviolett bis Nahinfrarot erweitert die Möglichkeiten der Gemäldeanalyse.

Ein 3D-Modell unter ultraviolettem Licht macht die UV-induzierte Fluoreszenz im gesamten Kunstwerk sichtbar und legt so Oberflächenabschürfungen, organische Farbstoffe und alte Schutzschichten offen. Ein Infrarot-3D-Modell ermöglicht eine präzisere Darstellung der Details der Vorzeichnung.

Bildungspotenzial

Digitale Modelle von Kunstwerken, die mithilfe von Fotogrammetrie erstellt wurden, eröffnen neue Möglichkeiten für die Kunstvermittlung und den öffentlichen Zugang zum kulturellen Erbe. Interaktive 3D-Darstellungen verdeutlichen den Wert eines präzisen Arbeitsablaufs, der sowohl konservatorische als auch pädagogische Ziele unterstützt. Technologie fördert Innovationen in der Kulturerbevermittlung und bereichert ästhetische Erlebnisse durch digitale Medien.

Virtuelle Museumsausstellungen mit Gigapixel-Visualisierung ermöglichen eine detaillierte, interaktive Betrachtung und machen Kunst so für alle zugänglich. Besucher können in ein Kunstwerk eintauchen, was bei einem Besuch im realen Museum unmöglich ist – sie können in bestimmte Bereiche hineinzoomen, die Technik des Künstlers erforschen und Details entdecken, die dem bloßen Auge verborgen bleiben.

Augmented Reality auf Basis photogrammetrischer Modelle eröffnet neue Wege für Dokumentation, Konservierung und Monitoring. Experimente mit bildbasierten Methoden unter Verwendung kostengünstiger Sensoren, bei denen 3D-Modelle die Grundlage für Augmented-Reality-Anwendungen bilden, erweitern die Möglichkeiten der Interaktion mit Kunst.

Interdisziplinäre Interaktion

Die Anwendung der Photogrammetrie auf die Malerei erfordert einen interdisziplinären Dialog zwischen Künstlern, Restauratoren, Kuratoren, Programmierern und Forschern im Bereich Computer Vision. Die Ägyptologische Abteilung des British Museum entwickelt Kooperationen mit Künstlern, um die Macht und Wirkung von Sammlungen, Repräsentation und Wissensproduktion kritisch zu hinterfragen.

Photogrammetrische Modelle mexikanischer Wandmalereien veranschaulichen die Schnittstelle von Technologie und kulturellem Erbe innerhalb der Digital Humanities. Die Erstellung interaktiver 3D-Darstellungen mit Kontextinformationen eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Forschung an der Schnittstelle verschiedener Disziplinen.

Archäologen, Architekten, Raumplaner und digitale Künstler nutzen photogrammetrische Verfahren in vielen Bereichen. Die zunehmende Verbreitung dieser Technologie führt jedoch dazu, dass sie ohne kritisches Verständnis der metrischen Qualität der Ergebnisse eingesetzt wird. Die wachsende Kluft zwischen der Verbreitung photogrammetrischer Techniken und ihrer Anwendung durch geeignete Bildungsangebote muss überbrückt werden.

Ethische und rechtliche Aspekte

Die Digitalisierung von Kunstwerken wirft Fragen des Urheberrechts, der Authentizität und der Anpassung an die Technologie auf. Künstler im digitalen Zeitalter stehen vor der Herausforderung, ihr geistiges Eigentum zu schützen, wenn sie hochauflösende digitale Kopien ihrer Werke erstellen und verbreiten.

Die amerikanische Künstlerin Erin Hanson, eine Pionierin des offenen Impressionismus, nutzt fortschrittliche 3D-Scan- und Drucktechnologien, um nicht nur die Farben von Ölgemälden, sondern auch deren Textur, Pinselstriche und Tiefe einzufangen. Die so entstehenden Drucke, die wie Originalkunstwerke aussehen und sich auch so anfühlen, eröffnen neue Möglichkeiten der Reproduktion.

Die Frage der Authentizität gewinnt zunehmend an Dringlichkeit, wenn digitale Technologien die Erstellung von Kopien ermöglichen, die von den Originalen nicht zu unterscheiden sind. Die Entwicklung generativer Modelle hat zur Entstehung von Bildern geführt, die von echten Fotografien kaum zu unterscheiden sind. Fotorealistische Bilder zeigen oft menschliche Figuren, insbesondere Prominente und Politiker, mit einem hohen Maß an Surrealismus und ästhetischer Professionalität.

Zukünftige Ausrichtungen

Die Photogrammetrie entwickelt sich als Werkzeug für Künstler und Kunstforscher stetig weiter. Die Integration von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen in photogrammetrische Arbeitsabläufe verspricht weitere Vereinfachung und Automatisierung. Fortschritte in der Computertechnologie eröffnen neue Möglichkeiten für künstlerisches Schaffen, da Forscher, Künstler und Kunstliebhaber neue Wege entdecken, mit digitalen Werkzeugen zu arbeiten.

Hybride Arbeitsabläufe, die traditionelle Bildhauerei mit Fotogrammetrie oder 3D-Scanning kombinieren, werden immer mehr zum Standard. Künstler wie Sabina Howard und Juan Manuel Miñarro verbinden traditionelle Bildhauertechniken erfolgreich mit Fotogrammetrie, um ihre Werke zu schaffen.

3D-Scanning ermöglicht es Kreativen, mit Form, Textur und Wiederholung zu experimentieren, ohne an die Einschränkungen traditioneller Materialien gebunden zu sein. Ein Keramiker kann ein Originalstück scannen und eine leichte Harzreplik für die Außenausstellung anfertigen. Ein Performancekünstler kann seinen eigenen Körper scannen, um tragbare, 3D-gedruckte Prothesen herzustellen und so die Grenzen zwischen Identität und Design zu verwischen.

Die Photogrammetrie revolutioniert kreative Arbeitsabläufe und ebnet den Weg für 3D-Druck, virtuelle Ausstellungen und interaktive Installationen. Künstler sind nicht länger auf Pinsel, Meißel oder Maus beschränkt – Werkzeuge zur Digitalisierung, Bearbeitung und Neugestaltung von Werken eröffnen völlig neue Möglichkeiten.