ARGO Augmented Archaeology

Eine App macht 3-D-Rekonstruktionen vor Ort erlebbar

Abb. 1: In App Aufnahme ARGO – Augmented Archaeology (Gallo-römischer Umgangstempel Gusterath)

Autor: Sascha David Schmitz

ARGO kann in jedem gängigen App-Store herunter geladen werden.
Die App ist allerdings 1,2 GB groß, sodass  wir empfehlen, den Download über WLAN vor der Nutzung zu organisieren.

Downloadlinks:

Google-Play-Store
https://play.google.com/store/apps/details?id=eu.armob.ARGO&hl=de&gl=US

Apple-Store
https://apps.apple.com/de/app/argo-augmented-archaeology/id1539652329

Die App ist kostenlos. Es können Ihnen allerdings Kosten bei der großen Datenmenge über das Mobilfunknetz entstehen.

Weitere Informationen finden Sie auch auf der ARGO-Internetseite unter:
https://ar-route.de/

Um Besuchern Aufbau und Gestaltung von Boden- und Baudenkmälern zu vermitteln und vor allem sichtbar zu machen, gibt es eine Reihe von Methoden. Grundrisse werden z.B. durch Pflasterungen im Boden markiert. Hecken oder anderer Bewuchs sollen Mauerfluchten angeben. Flankiert werden diese Maßnahmen durch textliche Beschreibungen, zeichnerische Rekonstruktionen und 3-D-Visualisierungen. Die anschaulichste Vermittlungsmethode ist aber sicherlich die bauliche Teil- oder Vollrekonstruktion, wie man sie häufig in Archäologieparks wie Xanten oder Carnuntum besichtigen kann.

Derartige Rekonstruktionen von Bauten bringen in verschiedenen Bereichen aber auch Nachteile mit sich, so ist selbst bei kleineren Maßnahmen mit nicht unerheblichen Kosten zu rechnen. Das bezieht sich nicht nur auf die Baukosten, denn im Anschluss muss der Bau gewartet und gepflegt werden, um ihn vor Verfall zu bewahren und für die Besucher attraktiv zu halten. Ältere Rekonstruktionen entsprechen zudem häufig irgendwann nicht mehr dem Stand der Forschung. Eine Anpassung wird aber in der Regel nicht vorgenommen, da z.B. Umbaumaßnahmen entweder zu teuer sind oder der Rekonstruktionsbau eventuell schon so alt ist, dass er selbst unter Denkmalschutz steht.

Darüber hinaus wurden der originale Baubefund oder das Bodendenkmal oft bei der Errichtung der baulichen Rekonstruktion zerstört oder überprägt. In der Vergangenheit hat man durch die Wiederverwendung originalen Baumaterials oder die Herstellung möglichst authentischer Materialien, bei gleichzeitig unzureichender Dokumentation der neuerlichen Maßnahme, die Unterscheidung zwischen erhaltenen und rekonstruierten Bereichen oftmals nahezu unmöglich gemacht.

An der Universität Trier entstand daher die Idee, eine Vermittlungsmethode zu entwickeln, die in ihrer Anschaulichkeit Rekonstruktionsbauten nahekommt, aber gleichzeitig die oben aufgeführten Nachteile vermeidet. Die Machbarkeit dieses Unterfangens wurde 2015 in einem Pilotprojekt geprüft. Dabei wurden an zwei Objekten im Archäologiepark Belginum und an der Burgruine Baldenau im Hunsrück verschiedene Methoden getestet, um digitale 3-D Rekonstruktionen mithilfe von Augmented Reality (AR) in Originalgröße an ihrem ursprünglichen Standort anzuzeigen.

Augmented Reality

Abb. 2: Routenplaner ARGO – Augmented Archaeology

Augmented Reality (auch Mixed Reality) bezeichnet eine Erweiterung der meist visuellen Sinneseindrücke des Nutzers um zusätzliche, virtuelle Inhalte (Abb. 2). Sie ist zu unterscheiden von der Virtual Reality (VR) bei der die visuelle Wahrnehmung der Umgebung nicht nur erweitert, sondern vollständig durch eine virtuelle Umgebung ersetzt wird. Dadurch eignet sich VR eher für Anwendungen, die nicht standortgebunden sind und keine originalen Befunde mit einbeziehen.

Für Augmented Reality lassen sich heute viele Anwendungsbeispiele benennen. Selbst wenn man sich auf den Bereich der Smartphoneapps beschränkt, zeigen die nachfolgenden Beispiele sehr unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten auf. Besondere Bekanntheit erlangte das 2016 veröffentlichte mobile Game Pokémon Go des US-amerikanischen Entwicklerstudios Niantic. Diesem Spiel liegt eine virtuelle Kopie der echten Welt zugrunde. Durch diese Spielwelt kann der Nutzer sich bewegen, in dem er in der echten Welt den Standort wechselt. Auf diese Weise sammelt er Ausrüstung und fängt die namensgebenden, monsterartigen Pokémon, welche er dann trainieren und in sogenannten Arenen gegen andere Pokémon kämpfen lassen kann. AR wird hierbei auch eingesetzt, indem die Pokémons, die der Nutzer fangen will, in das Kamerabild eingeblendet werden, sodass der Eindruck erweckt wird, sie würden sich real an diesem Ort aufhalten. Das Spiel wurde nach Herstellerangaben inzwischen über 1 Milliarde Mal heruntergeladen.

Ein anderes Beispiel ist Ikea Place. Mithilfe dieser AR-App des schwedischen Möbelhauses kann man 3-D-Modelle von Möbeln aus dem Katalog in der eigenen Wohnung platzieren. Diese werden in Originalgröße an dem selbst gewählten Standort angezeigt, während der Nutzer sich frei bewegen kann. Ähnliche Funktionen bieten auch Apps weiterer Firmen an, so können z.B. Nutzer der App zur Verkaufsplattform Etsy 3-D-Modelle einzelner Artikel in den eigenen Räumen anzeigen lassen.

In manchen Gegenden ist es derzeit bereits möglich, AR auch für die Routenführung innerhalb der Google Maps App zu nutzen. Die Live View genannte Funktion führt Fußgänger mithilfe großer, schwebender Pfeile an ihr Ziel und zeigt unterwegs Informationen zu Geschäften und anderen Orten an.

Tracking Methoden

Zur Platzierung virtueller Inhalte an einem festen Ort in der realen Welt muss das verwendete Smartphone diesen Ort auf irgendeine Weise identifizieren können. Für diesen, Tracking genannten, Vorgang gibt es verschiedene Methoden. Die einfachste ist das Marker Tracking, wobei ein virtuelles Objekt auf einem Marker angezeigt wird, der von der Kamera eines Smartphones aufgenommen wird. Dies funktioniert allerdings nur so lange wie der Marker im Bild ist.

Fortschrittlichere Methoden wie Motion Tracking, Face Tracking und Object/Model Tracking verwenden SLAM (Simultaneous localization and mapping), ein Verfahren aus dem Bereich der Fotogrammetrie, ähnlich Structure from Motion (SfM). Dabei werden die Einzelbilder aus dem von der Kamera aufgenommenen Live Video verglichen und identische Punkte erkannt. Aus deren von Bild zu Bild unterschiedlicher Lage zueinander wird die dreidimensionale Struktur der aufgenommenen Umgebung berechnet. Gleichzeitig lässt sich so die Position des Smartphones relativ zu seiner Umgebung zu ermitteln. Der Begriff Motion Tracking leitet sich von dem Umstand ab, dass dies nur möglich ist, wenn das Smartphone bewegt wird.

Diese Verfahren werden seit der Einführung der Augmented Reality Programmierbibliotheken ARCore (Google) und ARKit (Apple) ab Ende 2017 in einer Vielzahl von Apps verwendet. Dazu zählen auch die oben angesprochenen Apps Pokémon Go, Etsy und Ikea Place. Ein Nachteil dieser Technik ist, dass virtuelle Inhalte erst platziert werden können, nachdem die Position des Smartphones relativ zu seiner Umgebung festgesetzt wurde. Man kann hiermit also keine Inhalte von vornherein fest positionieren. Dementsprechend positionieren die Nutzer die Inhalte bei Apps, die Motion Tracking verwenden, dies meist selbst, so wie bei Ikea Place. Ein weiteres generelles Problem von Motion Tracking ist, dass es derzeit nur in einer Umgebung funktioniert, wo horizontale und vertikale Flächen und klare Ecken und Kanten vorherrschen. Das bedeutet oft, dass die zuverlässige Verwendung auf Innenräume und urbane Umgebungen beschränkt ist.

Abb. 3: Plan, Gitternetz und Texturen (Römische Villa Echternach)

Die Methode zur Positionierung virtuellen Inhalts auf festen Geo-Koordinaten (Location-based AR) wird auch als Geo Tracking oder GPS Tracking bezeichnet. Die wesentliche Rolle spielt dabei derzeit der GPS-Sensor des Smartphones. Die Messgenauigkeit von GPS ist allerdings nicht besonders hoch. Selbst bei guten Messbedingungen sind Abweichungen von ca. 2 m in der Lage zu erwarten, bei schlechten Bedingungen können es auch 10 m oder mehr sein. Seit Sommer 2020 versucht Apple dies mit ARkit auszugleichen, indem GPS Tracking mit Object und Motion Tracking kombiniert wird. Eingeschränkt wird diese Vorgehensweise dadurch, dass 3-D Daten für die Umgebung vorhanden sein müssen, was derzeit auf große Städte beschränkt ist und eine Internetverbindung bestehen muss, um die Daten herunterzuladen.

3-D Rekonstruktion

Die Rekonstruktionen wurden grundsätzlich auf Basis des jeweiligen publizierten Forschungsstandes durchgeführt, welcher von einem Rechercheteam innerhalb des Projekts zusammengestellt wurde. Dabei wurden auch besser erhaltene Vergleichsobjekte und allgemeine Forschungen zu den jeweiligen Objektarten berücksichtigt (Abb. 3). Die Aufarbeitung unpublizierter Ausgrabungen war im Rahmen des Projekts nicht machbar. Dennoch war es in einigen Fällen möglich, mit den Bearbeitern laufender Qualifikationsarbeiten und Forschungsprojekte zusammenzuarbeiten und die Rekonstruktionen so dem aktuellen Forschungsstand anzupassen.

Abb. 4: Römische Grabdenkmäler bei Duppach-Weiermühle

Zusätzlich zum publizierten Material wurden auch Möglichkeiten einer eigenen 3-D Dokumentation noch vorhandener Befunde genutzt. In diesen Bereich fällt die Auswertung von LiDAR Scans des modernen Geländes: Diese ermöglichte es, die schwierigen Geländesituationen, z.B. römischer Villen in Hanglage oder mittelalterlicher Höhenburgen, zu berücksichtigen. Bei Objekten mit viel erhaltener Baustruktur, hauptsächlich Burgen, wurde außerdem eine 3-D Dokumentation durch Structure from Motion eingesetzt. Die Objekte wurden mit einer Drohne abgeflogen und aus jeweils einigen Hundert Fotos wurden texturierte 3-D Modelle des modernen Zustands generiert. Diese maßhaltigen Modelle lieferten einen deutlich höheren Detailgrad als die vorliegenden LiDAR Daten oder Publikationen und waren eine unschätzbare Hilfe bei der Modellierung der Rekonstruktionen.

Der Detailgrad der Modellierungen und die Auflösung der Texturen waren grundsätzlich an Größe und Performanz der App zu orientieren. Bilder für die Tafeln vor Ort und solche, die den Partnern für Werbezwecke zur Verfügung gestellt wurden (Abb. 4), konnten allerdings in einer höheren Auflösung gerendert werden, als dies in der Live-Darstellung in der App möglich ist. Die Bilder und Informationstexte fanden darüber hinaus Verwendung in einem Begleitbuch zum Besucherführungssystem: „Vergangenheit neu sehen! Archäologie in Bildern“ nach Regionen sortiert findet man hier eine Doppelseite zu jedem Objekt und kann sich so auf analoge Weise Ausflugsziele heraussuchen oder auch vor Ort die Informationen auf Papier lesen, wenn man das bevorzugt.

Literatur

  1. Cordie – A. Kronenberg – T. Mattern – S. Schmitz (Hrsg.), Vergangenheit neu sehen! Archäologie in Bildern, Luxemburg und Rheinland-Pfalz (Trier 2020).
  2. Kronenberg – S. D. Schmitz, Antike Realität mobil erleben. Ein Augmented Reality Media Guide für den Archäologiepark Belginum, in: M. Koch (Hrsg.), Archäologie in der Großregion. Archäologentage Otzenhausen 2, Internationales Symposium zur Archäologie in der Großregion in der Europäischen Akademie Otzenhausen 19. – 22.02.2015 (Otzenhausen 2016) 297-300.

Bildrechte:

CC BY 4.0 ARGO – Augmented Archaeology (Universität Trier)