Aufbau einer digitalen Kreiselsammlung

für historische und didaktische Forschung

Aktuelles - Blog des Forschungsprojekt Gyrolog

06.12.18: Methodological Introduction of Gyrolog: Photogrammetric Computer Vision

The digitization task in Gyrolog for gyroscopic instrument involves mainly three parts: Photogrammetric computer vision(CV), endoscopy and computed tomography (related information can be found in the previous blog entries) as shown in the following picture, the data integration of above methods will generate extremely dense and precisely colored point clouds of the objects.

Figure1: General view of methodology within the Gyrolog project

In this blog entry we will focus on Photogrammetric CV. The principle of three dimensional (3D) point reconstruction from imagery is imaging an object in at least two different photos and measuring the corresponding points, with additional camera orientation information, the 3D corresponding point can be calculated.

Figure2: Basic principle of 3D point reconstruction

In figure 2, R1 R2 represent two images, a1 and a2 represent the corresponding point on R1 and R2 respectively, and A is the calculated 3D point. In practical, the procedure is split into several steps as the following picture shows

Figure3: Workflow of photogrammetric CV

As shown in the figure 3, after the procedure camera calibration correcting the possible lens distortion, we start with data acquisition, and the scenario in the laboratory is as below:

Figure4: Imaging scenario in the Gyrolog project

The object that will be digitized is placed on a turn table under an appropriate lighting configuration, and the camera is fixed in a suitable position to take pictures while rotating the turn table in a certain speed. With images from all views, after estimating the camera using structure from motion, a dense point cloud can be calculated for further 3D modelling process or VR/AR animation. When the calculated 3D model is not complete due to the lack of information from invisible perspective, additional images need to be taken and the corresponding point cloud will be integrated with the previous one to make a complete model, which is the process point cloud registration shown in figure 3. Below gives a direct view of the process:

Figure 5: Screenshot of calculated 3-D models of the Bohnenberger machine

In the picture three circles represent the estimated positions of camera, the center is the calculated 3D point cloud of the Bohnenberg machine, respectively representing the steps of pose estimation and dense image matching in figure 3.

(K. Zhan)

02.10.18 Objektbegegnung der digitalen Art -Gyrolog bei der 10. Sammlungstagung in Mainz

Bei der 10. Sammlungstagung „Knotenpunkte – Universitätssammlungen und ihre Netzwerke“ in Mainz vom
13. bis 15. September 2018 bestritt ein Team von Gyrolog in Zusammenarbeit mit einem Team aus Dresden den Workshop „Objektbegegnung der digitalen Art?“ Zu Beginn des Workshops wurden verschiedene Digitalisierungsstrategien und –methoden vorgestellt sowie die Methode der Photogrammetrie näher beleuchtet. Diese beruht bei Gyrolog ja nicht auf einem Readymade Set-Up, sondern bewegt sich im modernsten Forschungsgebiet dieser Methode. Näheres hierzu erfahren Sie im nächsten Blog-Beitrag.

Im praktischen Teil des Workshops konnten die TeilnehmerInnen dann unseren Objekten auf unterschiedlichste Art und Weise begegnen. Die Einführung erfolgte jeweils mit einem Foto des Objektes, weil dies häufig die erste Begegnung von NutzerInnen mit Objekten und Digitalisierung darstellt. Im zweiten Schritt durfte das Objekt selbst näher untersucht werden. Welchen Informationen gegenüber dem Foto bekommt man, welche Informationen bleiben verschlossen? Abgerundet wurde die Begegnung mit einer digitalen 3D-Repräsentation des Objektes. Verschiedene Gruppen konnten das Objekt digital, dreidimensional über die Photogrammetrie oder das dreidimensionale Innere über die Computertomographie erleben.

Auch hier haben wir gefragt, ob sich der „Leseeindruck“ verändert hat? Und ob die digitalen Repräsentationen
z. B. Fragen hervorgerufen haben, die durch das Objekt selbst nicht erzeugt wurden? Ziel der Fragen war es, eine Begegnung mit dem Objekt in verschiedenen Formen zu ermöglichen, damit klar wird, dass jede Zugangsweise ihren spezifischen Mehrwert generiert. Bewusst hatten wir uns für eine Begegnung ohne weitere Informationen zu den Objekten selbst entschlossen.

Dies zeigte schnell, dass ein Objekt ohne seine Metadaten und den dazugehörigen Angaben wenig aussagekräftig ist. Zusammen jedoch eröffnen alle Repräsentationen eine Objektbegegnung der digitalen Art mit einem Mehrwert an Informationen. Den Arbeitsleitfaden für diese Gruppenarbeit sowie eine kurze Bilanz verschiedener Digitalisierungsmethoden können Sie hier herunterladen.

Wir bedanken uns noch einmal ganz herzlich bei allen Teilnehmern und Teilnehmerinnen für den spannenden Workshop, bei unseren Partnern aus Dresden für die tolle Zusammenarbeit und bei der gastgebenden Sammlungsleitung in Mainz für die hervorragende Organisation!

Gyrolog-Leiter Jörg F. Wagner unterstützt die TeilnehmerInnen
der Gruppe 3 im praktischen Teil des Workshops

Gruppe 1 vertieft in die Objektbegegnung mit einer digitalen Repräsentation
des Wendekreisels „Golden Gnat“, die durch die Methode der Computertomographie generiert wurde.

Gruppe 2 bei der Präsentation ihrer Ergebnisse der Objektbegegnungen
mit dem Kurskreisel Lku4 von Siemens

Gyrolog-Mitarbeiterin Maria Niklaus und die TeilnehmerInnnen des Workshops
bei der Abschlussdiskussion

(M. Niklaus)

30.06.18: Die Maschine von Bohnenberger im Computertomographen

Realansicht des Instruments

Die "Maschine von Bohnenberger" gilt als Urahn aller Gyroskope. Durch die Leihgabe eines der Originale wurde es dem Gyrolog-Projektteam ermöglicht, für die genauere Untersuchung der Strukturen des Instruments einen ersten röntgenbasierten, nicht-invasiven Blick in das Innere des Kreisel-Objektes zu werfen.

Die Maschine von Bohnenberger, ein kardanisch gelagerter Kreisel, wurde 1810 von J.G.F. Bohnenberger in Tübingen erdacht und von seinem Instrumentenmacher G. Buzengeiger gefertigt. L. Foucault gab 1852 diesem Apparat erstmals den Namen „Gyroskop“. Das Instrument bildet den Ursprung der Gyroskope, wie sie heute in vielen Bereichen von der Schifffahrt über die Fliegerei, bis hin zum Smartphone zum Einsatz kommen. Bedingt durch den Umstand, dass aktuell nur lediglich zwei Exemplare dieses Kreisels im Original nachweisbar sind, ist die Computertomographie ein ideales Werkzeug, innere Strukturen darzustellen ohne das wertvolle Objekt zerlegen zu müssen.



Originalzeichnung Bohnenbergers [1]

Für eine gute Bildgebung sind eine Reihe von Faktoren maßgeblich:

Die Materialeigenschaften dieses Objektes macht eine genaue Kalibrierung des CT erforderlich. Die Aufhängung aus Metall konnte trotz Filterung zur Reduktion der Strahlaufhärtung, durchstrahlt werden. Hierbei muss die korrekte Filterdicke durch iterative Aufnahmen mit wechselnden Filtermaterialien und -stärken ermittelt/herausgetüftelt werden, um den Kontrast zwischen den Metallstrukturen und der Elfenbeinkugel bestmöglich abzubilden.

Ebener Schnitt durch das Instrument

Bisherige gewählte Einstellungen:

Nahaufnahme der Aufhäng-ung des Rotors

Eine Änderung der Belichtungszeit, der Rekonstruktionsmethode sowie der Einsatz weiterer Filter sind Optimierungsparameter, denen sich die Gyrolog-Mitarbeiter im Projektverlauf widmen müssen. Die bisherigen Resultate machen deutlich, dass die Durchstrahlung der massiven Aufhängung Metallartefakte zur Folge hat, die durch den Einsatz von geeigneter Hardware – hier: Filter, sowie geeigneter Rekonstruktions-Algorithmen reduziert werden können.

(T.Schweizer/Z.Wang)

[1] Bohnenberger, J.G.F. (1817): Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Geseze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren. Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneykunde 3, S. 72-83

25.05.2018: Strahlende Überraschung

Transport der Bleifolie mit Hilfe eines Krans in unser Labor

Natürlich gibt es in Forschungsprojekten auch unvorhergesehene Ereignisse. Hier bei Gyrolog war dies, gleich zu Beginn der umfassenden Sichtung der Sammlung, der Verdacht auf radioaktive Strahlung einiger Objekte. Vielleicht kennt der ein oder andere noch die Problematik von Radiumleuchtfarbe [1] bei Uhren. Diese wurde nicht nur bei Alltagsgegenständen verwendet, sondern natürlich auch bei militärisch interessanten Instrumenten, wie bei einem Teil unserer Kreiselgeräte. Der Verdacht erhärtete sich nach einer Begehung mit dem Strahlenschutzbeauftragten der Universität.

Unsere Mitarbeiter beim An-bringen der Bleifolie an eine der Schranktüren

Wir wissen jetzt definitiv, dass ein Teil der Objekte, vor allem aus den 1940er Jahren, radioaktive Strahlung abgibt. Nachdem wir uns aber von solchen unvorhergesehenen Ereignissen nicht unterkriegen lassen, haben wir nun sichere Arbeitsplätze für unsere Mitarbeiter geschaffen. Als erstes haben wir die Lagerplätze der Objekte strahlungssicher mit Bleifolie verkleidet. Weiterhin wurden Bleischürzen, Bleischirme und Mundschutz eingekauft, um einen sicheren Umgang mit dem Objekt an sich zu gewährleisten, sei es die konservatorische Reinigung oder die photogrammetrischen Aufnahmen. Der schwierigste Teil dieses Unterfangens war der Transport der Bleifolie in unser Labor, den wir mit Hilfe aus der Werkstatt tatkräftig gemeistert haben.
An dieser Stelle möchten wir uns auch noch herzlich beim Strahlenschutzbeauftragten der Universität, Herrn Böttinger, für das unkomplizierte und sehr angenehme Arbeitsverhältnis bedanken! (M. Niklaus)

[1] Mehr zu Radiumleuchtfarbe und der tragischen Geschichte der „Radium Girls“: Bericht von CNN

22.02.2018: Verfrühte Weihnachten - Auspacken und Sortieren der Sammlung zu Beginn des Projektes Anfang November

Libelle neben einer Inertial-plattform von Ferranti (ein-gebaut im Mehrzweck-kampfflugzeug Panavia 200 Tornado)

Der erste Schritt auf dem Weg zur Digitalisierung unserer Kreiselsammlung hört sich relativ einfach an: Auspacken und Sortieren. Unsere technikhistorische Mitarbeiterin bekam also eine frühe Bescherung und durfte schon vor Weihnachten, Anfang November, viele ‚Geschenke‘ auspacken. Nachdem die Sammlung in den letzten Jahren sanierungs-bedingt eingelagert war, erblickten unsere Kreiselinstrumente jetzt wieder das Licht der Welt. Verschiedenste Geräte, von kleinen Kreiselkomponenten und Flugzeug-messgeräten wie Läufer und Libellen zu großen Plattformen, wurden vorsichtig ausgewickelt, mit der Inventarliste abgeglichen und an ihren neuen Platz gestellt. Dass diese empfindlichen Geräte vorher geschützt gelagert waren, zeigen nicht weniger als sechs volle Kartons mit Verpackungsmaterial, die zum Schluss übrig blieben. Das war aber auch nötig, bei ca. 150 Objekten insgesamt. Die Kreiselinstrumente unsere Sammlung befinden sich jetzt in geschützten Schränken in unserem Labor. Wir sind sehr glücklich darüber, dass alle Instrumente diese Odyssee allen Anschein nach unbeschadet überstanden haben. Die Sammlung an sich entstand schon während der 1960er und 1970er Jahren am Institut für Mechanik, damals noch an der Technischen Hochschule Stuttgart in der Stadtmitte. Schauen Sie sich doch einfach mal die Geschichte unserer Sammlung an. (M. Niklaus)

24.01.2018: Vielen Dank an alle Teilnehmer und Teilnehmerinnen für den tollen und informativen Workshop!

Vielen Dank an alle Teilnehmer und Teilnehmerinnen für den tollen und informativen Workshop! Als Kick-Off am Montag wurde eine Reihe von Vorträgen der Mitarbeiter/innen des Gyrolog-Projektes, aber auch von auswärtigen Partnern, präsentiert. In einer bunten Mischung ging es um die Sammlung an sich, die technische Umsetzung der Digitalisierung durch CT-Scans und Photogrammetrie sowie die inhaltliche Anreicherung über Metadaten. Abgerundet wurde der Montag durch eine Präsentation der historischen Hintergründe von Kreiselinstrumenten, gefolgt von Vorstellungen der zwei Ableger der Sammlung an der TU München und der JKU Linz. Am nächsten Tag stand ein Vortrag zur Digitalisierung, die Langzeitspeicherung und zur Verfügungstellung der Daten durch die Universitätsbibliothek an, inklusive eines ersten Beispiels zur 3D Betrachtung im Goobi Viewer.

Durch diese Präsentation ergaben sich schon erste Diskussionen zu arbeitspraktischen Aufgaben, wie der Lizenzierung durch Creative Commens und der Auswahl von Metadaten. Abgerundet wurde der theoretische Teil mit einer großen Diskussionsrunde von Nutzeranforderungen und -szenarien. Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Museen und Universitäten bereicherten die Diskussion mit neuen Perspektiven. Dabei kamen interessante Fragen und Blickwinkel auf, wie etwa nach der historischen Erschließung, nach der Gestaltung eines Weges „vom Digitalisat zum Narrativ“, oder auch eher reflexiv gewendet, „Was kann ein Digitalisat eigentlich leisten?“. Als krönenden Abschluss des Workshops konnten die TeilnehmerInnen den Computertomographen und die Kreiselsammlung in einer Vorführung besichtigen.

Für das Projekt Gyrolog bedeutet der Workshop vor allem ein Mitdenken der Nutzerperspektiven in den nächsten Arbeitsschritten und vielleicht auch eine Erweiterung in der Zukunft auf Gyrolog 2.0. Wir freuen uns daher auf eine enge Zusammenarbeit mit allen Partnern und Nutzern! Sie konnten leider nicht teilnehmen, wüssten aber gerne mehr? Sie besitzen selbst Kreiselinstrumente, die unbedingt in die digitale Sammlung mit aufgenommen werden sollten? Sie haben noch weitere Ideen zur Nutzung der Digitalisate? Dann kontaktieren Sie uns gerne. (M. Niklaus)

15.12.2017: Jetzt geht es endlich los!

Herzlich Willkommen zu unserem Forschungsprojekt Gyrolog und dem damit verbundenen Auftaktworkshop. Am Montag und Dienstag nächste Woche (18. und 19.12.2017) treffen sich alle Mitarbeiter, Partner, Nutzer und Interessierte in Stuttgart, um sich über den Aufbau unserer digitalen Sammlung der Kreiselinstrumente für historische und didaktische Forschung auszutauschen.

Am Montag wird es Vorträge auf dem Campus der Stadtmitte zur Sammlung, ihrer Geschichte und Erschließung sowie den beteiligten Akteuren geben. Auch die technische Umsetzung mit avancierten Verfahren aus Computertomographie und Photogrammetrie wird ausführlich vorgestellt. Am Dienstag wird der Standort gewechselt. Wir werden den Campus Vaihingen besichtigen. Eingeleitet wird der Themenblock Nutzungsszenarien und -horizonte durch einen Vortrag über das Digitale Sammeln mit der Software Goobi. Anschließend werden im Kreis der potenziellen Nutzer Verwendungshorizonte der Digitalisate diskutiert. Abgerundet wird das Programm mit einer Demonstration des Computertomographen und einer Führung durch die Sammlung selbst.

Wir, das Team von Gyrolog, freuen uns auf eine spannende und produktive Zeit. Wenn Sie, auch kurzfristig, Interesse an einer Teilnahme haben, melden Sie sich einfach unter jfw@dsi.uni-stuttgart.de an. Wenn Sie leider nicht teilnehmen können, aber wissen möchten, wie der Workshop verlaufen ist und welche Ergebnisse herausgekommen sind, schauen Sie doch demnächst wieder auf dem Blog von Gyrolog vorbei. (M. Niklaus)