1. 3D laserové skenování - teorie

Transkript

1 1. 3D laserové skenování - teorie Úvod Laserové skenovací systémy umožují bezkontaktní urování prostorových souadnic, 3D modelování a vizualizaci staveb, konstrukcí, interiér, podzemních prostor, terén i drobnjších pedmt. Naskenovaný objekt mže být píslušným softwarem zobrazen jako mrano bod, z nhož lze vytvoit 3D model, který lze jakkoli upravovat a dotváet v CAD systému. Je nutné si ovšem uvdomit, že i tato metoda mé svá fyzikální a technologická omezení, která mohou mení znehodnotit. Mezi nejvtší výhody laserového skenování patí: automatický a systematický sbr bod vysoká hustota tchto bod a rychlost jejich zamení (statisíce bod za sekundu) výpoty souadnic v reálném ase (bhem mení, nebo hned po nm) nkteré skenery dokáží k 3D souadnicím bodu piadit i hodnotu odrazivosti skenovaného povrchu V praxi se používá pedevším tchto druh 3D skener: statické, pevn fixované na míst (p. na výrobních linkách kontrolují kvalitu) mobilní systémy umisované na stativy pro mení na krátké a stední vzdálenosti systémy leteckého skenování pro topografické aplikace Z hlediska použité technologie lze laserové skenery rozdlit: triangulaní 3D skenery (laboratorní, penosné) laserové skenovací systémy dálkomrné (stacionární, mobilní, letecké) Laserové skenovací systémy našly uplatnní v mnoha oborech lidské innosti jako je napíklad stavebnictví, fotogrammetrie, topografie, dálkový przkum Zem, dokumentace památkových objekt, archeologie, strojírenský prmysl a mnoha dalších. Principy innosti laserových skener Laserové skenery s mením délek (ranging scanners) Systémy založené na impulsním dálkomru Laserový impuls je vyslán smrem na mený objekt a vzdálenost mezi vysílaem a povrchem objektu je spoítána z asu který ubhne mezi vysláním a pijetím signálu. Jelikož je rychlost elektromagnetických vln 3*108 m*s-1, je tranzitní as malý, nap. pro délku 30 m je tranzitní as jen 2*10-7 s, jsou tedy kladeny vysoké nároky na pesnost mení tranzitního asu. (Tento princip mení délek je dobe znám z elektronických dálkomr a nkteré motorizované totální stanice lze naprogramovat jako skenovací zaízení.) Stední chyba mení tchto skener se pohybuje ádov v milimetrech a odvíjí se také od pesnosti úhlového urení laserového paprsku. Systémy založené na fázovém dálkomru Tato metoda je také dobe známá z elektronických dálkomr. V tomto pípad je vysílaný signál modulován harmonickým vlnním a vzdálenost se spoítá z fázového rozdílu vyslaného a pijatého signálu. Z uživatelského hlediska se tato metoda píliš neliší od impulsní. Snad podstatnjším rozdílem mže být omezenjší dosah, protože je nutné pijímat kvalitní signál, což mže mít za následek více špatných nebo nekvalitních bod. Systémy založené na frekvenním dálkomru Ponkud mén používaná, ale také známá dálkomrná metoda. Principem frekvenního dálkomru je urení záznje vynikajícího jako produkt skládání asov posunutých frekvenn modulovaných vln.

2 Principy laserových skener Triangulaní skenery S jednou kamerou Tento typ skeneru má na jedné stran základny zaízení emitující laserové záení, které vytváí na objektu stopu bodovou, nebo, pomocí vhodného optického prvku tvoícího laserovou rovinu, stopu árovou. Na druhé stran základny je umístna CCD kamera, která detekuje stopu laseru na objektu. Souadnice respektive vzdálenost se vypote ešením trojúhelníka. Pesnost takového systému závisí pedevším na vzdálenosti od základny, kterou není vtšinou možno mnit, proto se uplatní pedevším na malé vzdálenosti a na malé pedmty. Triangulaní skener s jednou kamerou

3 S dvma kamerami Pi tomto ešení je na každém konci základny po jedné CCD kamee. Detekuje se stopa laserového paprsku, který vysílá zvláštní projektor, který však nemá žádnou mící funkci. Detekována nemusí být jen laserová stopa, ale i pruhy i jiný strukturovaný vzor. Pi výpotu polohy bod se vychází opt z ešení trojúhelníka. Dosahuje se stejné pesnosti jako v pípad s jednou kamerou a rovnž použití je stejné. Triangulaní skener s dvma kamerami Pesnost 3D skener

4 2. 3D laserové skenování sbr dat 2.1 Callidus 1.1 Skenovací systém Callidus 1.1 je produktem nmecké firmy CALLIDUS Precision Systems. Jedná se o panoramatický 3D laserový skener sestávající z mící hlavy, stativu a penosného pracovního poítae. Mená data jsou v první fázi zpracována programem 3D-Extractor. Popis Skenovací systém Callidus 1.1 Mící hlava Mící hlava obsahuje pulsní laserový skener 1. tídy, CCD kameru, sníma sklonu, elektronický kompas a ídící poíta. Skenovat lze je-li upevnna na stativu, ale i je li postavena na jiné pevné podložce, k tomu slouží stavitelné nožiky. Na mící hlav je adaptér na mické odrazné hranoly. CCD kamerou je možné poídit panoramatické obrazy skenované oblasti. Stativ Jako masivní stativ systému Callidus je použit stativ urený pvodn pro filmovou kameru. Jedná se o velice stabilní a variabilní tínohý stativ s možností pipevnní koleek, nebo gumových nástavc. Penosný poíta Poíta systému Callidus je v podstat notebook vybavený UPS zaízením v nárazuvzdorném a poasí odolávajícím kufíku. Napájen mže být v rozsahu V AC, nebo V DC. S mící hlavou je spojen silným kabelem (dodávají se dv délky), sloužícím jak k jejímu napájení, tak i k penosu dat. Pod operaním systémem Windows 98 SE je zde nejdležitjším programem Laser Me. Systém (LMS), kterým je nastavováno a ovládáno samotné mení.

5 LMS - Hlavní menu 2.2 Skenování Veškerá nastavení skeneru se provádjí v programu LMS. Nejprve se v záložce Parameters nastaví adresá a název skenu, pípadn ješt nkterá další nastavení jako zda se bude mit na hranoly, zda mit intenzitu apod. Poté v záložce Scanning nastavíme parametry samotného skenování. Rozsah skenování je kolem svislé osy 360 a kolem vodorovné osy 180. Velikost kroku vodorovného posunu (1) je , 0.125, 0.25, 0.5 a 1.0. Velikost kroku svislého posunu (2) je 0.25, 0.5 a 1.0. Nastavuje se též pracovní dosah a z nj vyplývající ádová pesnost mení (3). Do 32 m mí s milimetrovou pesností, do 80 m s centimetrovou pesností, do 100 m v decimetrech. Je možnost nastavit poet mení délky v každém bod (4) a hranici za kterou již mení není zaznamenáno (5). Rozsah skenování ve vodorovném smru (6) lze též nastavit Pokud je nastaveno, že v zájmové oblasti jsou odrazné hranoly, skener je dokáže sám identifikovat. Digitální kamerou s dvanáctinásobným zoomem jsou poizovány panoramatické obrázky, jejichž parametry je také možno mnit. Nkteré hodnoty je možné libovoln mnit i bhem mení. LMS Scanning

6 3. 3D laserové skenování zpracování namených dat 3.1 3D-EXTRACTOR Import mených dat - menu: FILE IMPORT MEASUREMENT - oznaení mrana bod Export do textového formátu - menu: FILE - EXPORT MEASURED POINTS EXPORT SELECTED POINTS - [nastavení parametr importu v menu: FILE IMPORT SETTINGS, nastavení param. exportu v menu: FILE EXPORT MEASURED POINTS POINT EXPORT SETTINGS ] 3.2 REALWORKS Založení nového projektu - automaticky se spuštním programu Import textového souboru mraen bod z 3D-extractoru - otevení souboru, menu: FILE OPEN surveynig network files - nastavení parametr souboru: jednotky [m], oddlovae [,] - následující soubory otevete stejným zpsobem Spojení sken z jednotlivých stanovisek REGISTRACE - spojení otevených projekt do jednoho - [zvýraznte v tabulce list pes CTRL nebo SHIFT všechny projekty] - menu: FILE ADVANCED MERGE PROJECTS - registrace = spojení sken - zvolte si referenní sken, k nmu budou pipojeny zbývající - menu: TOOLS REFERENCING CLOUD BASED REFERENCING - [vždy pro 2 skeny, v nabídce vyberte referenní a pipojovaný sken, dialog: 3POINTS, oznate v jednotlivých mranech 3 páry identických bod = pibližné spojení, lze zpesnit REFINE, v dialogu je udána chyba spojení] - vizuální kontrola spojení [ikona display cloud pro každý sken] - uložení protokolu o registraci [ikona entity based registration report v horní lišt] Operace s mranem bod segmentace, zední, mesh, rendering - oištní mrana od nežádoucích bod SEGMENTACE - [ikona segmentation v hor. lišt] - umístte výbrový polygon a pr. tl. myši zvolte IN nebo OUT - pi zavírání funkce segmentation budete tázání na uložení oezaného mrana, uložte (objeví se jako nový objekt v tabulce list v levé lišt)

7 - zední mrana bod SAMPLING - [ikona sampling v hor. lišt] - z nabízených možností vyberte spatial sampling definováno minimální vzdáleností bod mrana, zadejte hodnotu 10mm. - pi zavírání funkce budete opt tázání na uložení zedného mrana, uložte (objeví se jako nový objekt v tabulce list ) - tvorba trojúhelníkové sít pro zaplochování MESH - [ikona mesh creation tool v hor. lišt] - [dialog: projection : zvolte druh projekce, doporuujeme no projection ] - opt pi zavírání funkce uložte jako objekt - mesh je možné ješt upravovat [ikona mesh editing tool v hor. lišt] - zaplochování RENDERING - rendering je proveden automaticky pepnutím zobrazování mrana bod - [ikona shapes rendering v hor. lišt] 3.3 3DIPSOS Otevení projektu z RealWorks - menu: FILE OPEN [typ souboru: Realworks format] Segmentace - oezejte pomocí výbrového polygonu [ikona elastic filter v levé lišt- nžky] požadovanou ást mrana (kopule a válcová stna observatoe) - vytvote nové LP (List of Points) LP terénu, LP kopule a LP stny [levá ikona s šipkou v levé lišt] Prostorové modelování - menu: FITTING CYLINDER WITHOUT CONSTRAINT - dialog: vyberte píslušné LP (LP válcové stny) - menu: FITTING SPHERE PASSING THROUGH AN AXIS - dialog: vyberte LP kopule a jako entity axis zvolte LP stny - menu: FITTING PLANE WITHOUT CONSTRAINT - dialog: vyberte píslušné LP (LP terénu) - vzájemné oezání tles prnik ploch - BOUNDING - menu: BOUNDING EC BOUNDED BY ECS (vždy pro 2 tlesa) - dialog: zvolte nabízené entity, jež chcete protnout, dále designing line dle smru oíznutí kliknutím do plochy Export do DXF - menu: FILE EXPORT AUTOCAD DXF - zadejte adresu a jméno souboru - dialog: zvolte z nabízených tles GER, nastavte jednotky na metry, output optionsentities output