ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ KATEDRA SPECIÁLNÍ GEODÉZIE Testování skenovacího systému HDS 3000 Diplomová práce Vypracovala: Bc. Lucie Popelková Vedoucí diplomové práce: Ing. Tomáš Křemen, Ph.D. 2010

2

Prohlášení: Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracovala samostatně pouze za odborného vedení Ing. Tomáše Křemena, Ph.D. a Ing. Jany Pospíšilové. Dále prohlašuji, že všechny zdroje, ze kterých jsem čerpala, jsou uvedeny v seznamu použité literatury. V Praze, dne 17.12. 2010. Lucie Popelková 3

Poděkování: Chtěla bych touto cestou poděkovat především Ing. Tomáši Křemenovi. Ph.D. za jeho rady a připomínky, trpělivost a ochotu při vedení mé diplomové práce. Dále pak Ing. Janě Pospíšilové za její rady, které mi velmi pomohly při zpracování. Také děkuji své rodině za podporu a především mamince, která mi studium na vysoké škole umožnila. 4

Anotace Pozemní laserové skenovací systémy slouží k bezkontaktnímu určování prostorových souřadnic, tvoření 3D modelů a k vizualizaci tvarově složitých staveb a konstrukcí, podzemních prostor. Tato diplomové práce se zabývá testováním polárního laserového skenovacího systému s pulzním dálkoměrem Leica HDS 3000 a zpracováním měřených dat v programu Geomagic. Zjišťovány byly především rozdíly výsledných 3D modelů, vytvořených v programu Geomagic. Testované 3D modely byly vytvořeny pospojováním jednotlivých měření bez použití vlícovacích bodů. Byly testovány modely vytvořené z různých stanovisek a zaměřeny v různých hustotách. Byla porovnávána shodnost rozměrů skenovaného objektu zjištěná z vytvořených modelů, s rozměry zjištěnými kontrolní metodou. Annotation Terrestrial laser scanning systems makes for obtaining spatial high-definition field data in a direct contact-free way, 3D models and visualization of object with complex form. This diploma work deals with testing of Scanning system HDS 3000 and procesing in Geomagic software. The models made from different positions and with various scanning density had been tested. Proportions of the final models had been compared with another control method. 5

OBSAH 1 ÚVOD... 7 2 CÍLE PRÁCE... 8 3 MĚŘENÍ A SBĚR DAT... 9 3.1 SKENOVACÍ SYSTÉMY...9 3.2 SKENOVANÝ OBJEKT...9 3.4 POUŽITÉ PŘÍSTROJE...11 3.4.1 Skenovací systém HDS 3000...11 3.4.2 Totální stanice Topcon GPT 7501...11 3.5 POSTUP MĚŘENÍ...14 3.5.1 Měření oměrných...14 3.5.2 Vliv rozmístění stanovisek a hustoty skenování na přesnost modelování...15 3.5.3 Opakovatelnost...16 4 ZPRACOVÁNÍ A VÝSLEDKY...18 4.1 MĚŘENÍ OMĚRNÝCH...18 4.2 OPAKOVATELNOST...25 4.2.1 Zpracování v programu Cyclone...25 4.2.2 Zpracování v programu Geomagic...26 4.2.2.1 Bodová fáze...26 4.2.2.2 Polygonová fáze...28 4.2.3 Grafické znázornění rozdílů...31 4.2.4 Porovnání směrodatných odchylek...33 4.3 VLIV ROZMÍSTĚNÍ STANOVISEK A HUSTOTY SKENOVÁNÍ NA PŘESNOST MODELOVÁNÍ...34 4.3.1 Zpracování v programu Cyclone...34 4.3.2 Zpracování v programu Geomagic...35 4.3.3 Grafické znázornění rozdílů...38 4.3.4 Porovnání směrodatných odchylek...39 4.3.5 Porovnání délek...40 5 ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ... 43 5.1 OPAKOVATELNOST...43 5.2 VLIV ROZMÍSTĚNÍ STANOVISEK A HUSTOTY SKENOVÁNÍ NA PŘESNOST MODELOVÁNÍ...43 6 ZÁVĚR... 45 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 46 8 SEZNAM PŘÍLOH... 47 6

1 ÚVOD Laserové skenování představuje revoluci v pořizování dokumentace prostorově složitých objektů a konstrukcí, jako např. fasády historických budov, provozy v průmyslových stavbách, štoly, tunely, atd. Využití metody laserového skenování umožňuje řešit takové úlohy, které by za využití klasických metod geodézie nebo fotogrammetrie nebyly možné, nebo jen velmi obtížně s nepoměrně vyššími náklady. Laserové skenovací systémy slouží k bezkontaktnímu určování prostorových souřadnic, tvoření 3D modelů a k vizualizaci tvarově složitých staveb a konstrukcí, podzemních prostor, atd. Za největší výhody skenovacích systémů můžeme považovat rychlost, přesnost a bezpečnost při pořizování dat. Zejména rychlost, se kterou lze získat potřebná data, je několikanásobně vyšší, než u klasických metod inženýrské geodézie či fotogrammetrie. V dnešní době se vědecká pracoviště zabývají především otázkami automatizace zpracování měření a kalibracemi. Otázky optimalizace měřického procesu a přesnosti vytvoření 3D modelů zůstávají na okraji zájmu, ačkoli dosud nebyly uspokojivě zodpovězeny. Obsahem této diplomové práce bude zjištění optimálního způsobu zpracování měřených dat a jejich vyhodnocení s použitím vybraných softwarů. Bude zjišťováno, jakou měrou ovlivňuje rozložení stanovisek, volba hustoty skenování a zvolené postupy zpracování výsledné modely a jejich přesnost. Dále bude posuzována přesnost opakovaného měření. Měření bude provedeno pozemním laserovým skenovacím systémem Leica HDS 3000 a všechna naměřená data budou zpracována pomocí softwarů Cyclone a Geomagic. Výsledné výstupy budou porovnány s další nezávislou metodou měření. Tato diplomová práce je zpracováním části naměřených dat pro disertační práci Ing. Jany Pospíšilové, která se ve své práci zabývá optimalizací měření, použitím vlícovacích bodů, vlivem hustot a velikostí objektu na přesnost modelování. 7

2 CÍLE PRÁCE V této diplomové práci budou řešena 2 témata: Vliv rozmístění stanovisek a hustoty skenování na přesnost modelování Cílem práce je zjistit, jaký vliv má rozmístění stanovisek a zvolená hustota skenování na přesnost modelování. Tato problematika bude řešena na vhodném referenčním objektu. Objekt bude naskenován z několika stanovisek v různých hustotách a výsledný 3D model bude vytvořen z vybraných stanovisek nebo ze všech. Zpracování bude provedeno v jednom vybraném softwaru. Rozměry výsledného modelu budou porovnány s hodnotami zjištěnými jinou nezávislou metodou. Opakovatelnost Úkolem v této části práce bude ověřit, jak se opakováním měření za nezměněné pozice skeneru mění výsledná přesnost modelu. 8

3 MĚŘENÍ A SBĚR DAT 3.1 Skenovací systémy Skenery můžeme rozdělit na tzv. 2D a 3D skenery. U 2D skenerů je laserový svazek vychylován pouze v jedné rovině. Chceme-li tedy nasnímat prostorový objekt, musíme se skenerem pohybovat. Jejich využití je nejčastější při získávání digitálního modelu terénu vetšího rozsahu, mapování břehů řek, při dokumetaci liniových staveb (silnice, produktovody, ). Tyto skenery bývají umístěny na mobilní platformě, jejíž pohyb zajišťuje získání 3D dat. Jedná se především o letecké skenování za použití letadel, vrtulníků apod. V posledních několika letech se začínají používat tzv. mobilní systémy, kdy je skener nesen automobilem [1]. Pro potřeby inženýrské geodézie se ale častěji používají 3D skenery, jejichž laserový svazek je vychylován do celého zorného pole skeneru, a ten tedy může zůstat v klidu. Využívají se v architektuře, urbanismu, při dokumentaci složitých technologických a průmyslových provozů, nebo např. při určování kubatur. Jedná se především o pozemní skenery. 3D skenery můžeme dále dělit na polární skenery a skenery se základnou. Polární skenery funguji v podstatě jako totální stanice s bezhranolových dálkoměrem. Dálkoměr je na principu měření tranzitního času nebo fázového posunu. Skenery se základnou určují souřadnice na základě protínání z úhlů ze základny. [2] 3.2 Skenovaný objekt Skenovaný objekt se nachází na prostranství před Teologickou fakultou UK v Praze Dejvicích Skenovaným objeketem je pomník pražského arcibiskupa Kardinála Josefa Berana, postavený k příležitosti 40. výročí jeho úmrtí (Obrázek 1). Jedná se o klečící postavu Kardinála Berana v nadživotní velikosti vytesaná z jednoho kusu šedočerného prachatického (křišťanovského) dioritu. Postava klečí na hrubě olámaném kvádru ze žluté mrákotinské žuly. Před ní je na skloněné ploše umístěná leštěná deska z jihoafrického gabra Impala nesoucí Kardinálův životopis. Pozadí pomníku tvoří brána, sestavená z hrubě opracovaných kvádrů žluté a šedé mrákotínské žuly. Pruh mezi pomníkem a touto bránou je z leštěné vahlovické žuly. [3] Pomník vytvořil známý český sochař prof. Stanislav Hanzík. 9

Kardinál Josef Beran Josef Beran se narodil 29.12.1888 v Plzni a v roce 1911 byl vysvěcen na kněze. Byl katolický duchovní a teolog, 33. arcibiskup pražský a primas český v letech 1946 1969. Byl vezněm nacistického i komunistického režimu, a symbolem odporu proti totalitní moci. Pro svůj postoj je považován, společně s T.G.Masarykem, za nejvýraznější postavu českých dějin 20.století. Je jediným českým biskupem, který promluvil na II. vatikánském koncilu. Zemřel 17.května roku 1969 v Římě. Komunistická vláda nepovolila jeho převoz do Čech, a proto se dočkal té pocty, že jako jediný Čech je pohřben po boku papežů, v chrámu sv.petra v Římě.[4] Obrázek 1: Památník Kardinála Josefa Berana 10

3.4 Použité přístroje 3.4.1 Skenovací systém HDS 3000 Pro získání dat k této DP, byl použit skenovací systém Leica HDS3000 (High definition surveying) firmy Leica Geosystem (Obrázek 2). Jedná se o polární panormatický 3D laserový skenovací systém. Systém HDS 3000 je přímým nástupcem systému HDS 2500 ( u nás známý jako Cyrax 2500), od kterého se liší zorným polem, které je v tomto případě 360 ve vodorovné rovině a 270 ve svislé rovině. Pracovní dosah tohoto skeneru je 134 m při odrazivosti 18% s polohovou přesností 6 mm/50 m. Pulzní laser skeneru v zelené barvě je zařazen do bezpečnostní třídy 3R podle IEC 60825-1. Přístroj je doplněn digitální kamerou s automatickým pokrytím mračna bodů v přirozených barvách. Je umístěn na klasickém geodetickém stativu se standardní trojnožkou s možností centrace, horizontace (pomocí krabicové libely) a orientace. Skener je ovládán softwarem Cyclone instalovaným na notebooku. Rychlost skenování až 4000 bodů za sekundu.[5] 3.4.2 Totální stanice Topcon GPT 7501 Totální stanice Topcon řady GPT-7500 (Obrázek 3) je vybavena bezhranolovou technologií, vestavěným operačním systémem Windows CE, softwarovým vybavením TopSURV a velkým, grafickým, dotykovým displejem. Technické parametry [6] Dalekohled: Zvětšení 30 x Zorné pole 1 30 Min. zaostření 1,30 m Osvětlení nit.kříže Ano 11

Měření délek (Hranol): Mini hranol 1000 m 1 hranol 3000 m Přesnost ± (2mm + 2ppm) Měření délek (Bez hranolu) Dosah (Kodak white) 1.5 ~ 250m / 5 ~ 2000m Přesnost ±5mm / ±10mm Velikost laserového paprsku 2x4 cm / 100m Třída laseru Třída 1 Měření úhlů: Přesnost (DIN 18723) 1 (0.3mgon) Minim. čtení 0.5 (0.1mgon) Rozsah kompenzace ± 6 Počítačová jednotka: Procesor Intel PXA255, 400 MHz Operační systém Microsoft Windows CE.NET 4.2 Paměť interní 128 MB / CompactFlash karta Displej LCD dotykový, 3.5 inch TFT Color LCD Optická centrace: Zvětšení 3 x Zorné pole 4 Další parametry: Rozměry Vytyčovací světla Bluetooth Váha (včetně baterie) 338x 212x 197mm Ano Volitelně Bluetooh CF karta 5 kg 12

Obrázek 2:Leica HDS 3000 Obrázek 3:Topcon GPT 7501 13

3.5 Postup měření Meření probíhalo ve třech termínech. Pro Testování vlivu rozmístění stanovisek a hustoty skenování na přesnost modelování byl dne 19.5.2010 památník naskenován z pěti stanovisek, avšak kvůli nepřízni počasí muselo být skenování přerušeno. Skenování ze zbylých tří stanovisek proběhlo dne 4.6.2010. Měření pro úlohu Opakovatelnost proběhlo dne 20.7.2010 a kromě skenování bylo provedeno i doplňkové měření (Měření oměrných). V této kapitole bude popsán postup sběru dat, volba stanovisek pro skenování, volba podrobných bodů. 3.5.1 Měření oměrných Měřeno bylo dne 20.7.2010. Cílem úlohy bylo zjistit oměrné délky metodou protínání ze základny. Meřeno bylo totální stanicí Topcon 7501, postavenou na stativech téže značky. Body byly signalizovány hrotem výtyčky Leica. Měřené hodnoty byly zapsány do zápisníku bez registrace. Celkem bylo zaměřeno 22 bodů a dále bylo změřeno 9 oměrných délek pásmem. Rozvržení stanovisek a volba bodů Byla zvolena čtyři stanoviska (A-D), umístěná úhlopříčně, přibližně 8-10m od sochy. Každá dvě sousední stanoviska tvořila základnu, ze které se současně měřily zvolené body. Základny byly přibližně rovnoběžné s bočními, resp. zadní stranou sochy (Obrázek 4). Podrobné body byly voleny tak, aby byly dobře viditelné, zaměřitelné z obou bodů základny a dobře charakterizovaly rozměry objektu. Signalizovány byly rohy či hrany objektu. Měřeno bylo ze tří základen AB, BC a CD. Z každé základny bylo měřeno současně z obou koncových bodů. Ze základny AB bylo zaměřeno 11 bodů, ze základny BC 4 body a ze základny CD 7 bodů. Vodorovné směry a zenitové úhly na podrobné body byly měřeny v jedné skupině. Délky mezi body tvořícími základnu byly měřeny obousměrně. Převýšení mezi body každé základny bylo měřeno dvakrát a obousměrně. Všechny body tvořící základny ležely v jednou souřadnicové soustavě a byly tedy vzájemně provázány. 14

Obrázek 4: Zvolení základen 3.5.2 Vliv rozmístění stanovisek a hustoty skenování na přesnost modelování Skenování památníku Kardinála Josefa Berana pro tento experiment proběhlo v termínech 19.5.2010 a 4.6.2010. Objekt byl naskenován z osmi různých stanovisek, umístěných okolo objektu (Obrázek 5). Čtyři stanoviska jsou rohová a čtyři boční. Z každého stanoviska se skenovalo ve čtyřech hustotách: 5 mm x 5mm, 10 mm x 10 mm, 20 mm x 20 mm a 50 mm x 50 mm. Při nastavování parametrů skenování, byla hustota nastavena na střed pomníku. Smyslem této části úlohy, je vytvořit modely skenovaného objektu ve všech hustotách, a to buď ze všech osmi stanovisek a nebo ze čtyř rohových stanovisek. Následně tyto modely mezi sebou porovnáme a vytvoříme rozdílové modely. Porovnány budou modely vytvořené ze čtyř stanovisek s modely z osmi stanovisek v rámci každé hustoty. Poté budou porovnány modely všech hustot, vytvořené ze stejných stanovisek. 15

Obrázek 5: Rozmístění stanovisek 3.5.3 Opakovatelnost Sběr dat pro tuto úlohu proběhl 20.7.2010, za jasného slunečného počasí. Objekt byl naskenován z jednoho stanoviska. Toto stanovisko bylo voleno tak, aby polohově co nejvíce odpovídalo stanovisku č.7 z úlohy 3.5.2 (Obrázek 6). Skenování proběhlo sedmkrát s hustotou 5 mm x 5 mm, přičemž byly před každým skenováním takto změněny podmínky : 3x měření po sobě bez změny nastavení, 2x zadána nová ohrada měření, 2x skenováno po vypnutí a následném zapnutí skeneru. 16

Obrázek 6: Stanovisko pro úlohu Opakovatelnost 17

4 ZPRACOVÁNÍ A VÝSLEDKY V této kapitole bude podrobně popsán postup zpracování naměřených dat, budou zde uvedeny vzorce potřebné pro pomocné výpočty, tabulky s výslednými hodnotami, porovnání délek a porovnání směrodatných odchylek. Pro zpracování naměřených dat byly použity programy Cyclone, Geomagic, Excel a Groma. V programu Excel a Groma byla zpracována úloha Měření oměrných. Jednalo se o výpočet prostorových souřadnic zaměřených bodů na památníku. V programu Cyclone byly částečně zpracovány úlohy Opakovatelnost a Vliv rozmístění stanovisek a hustoty skenování na přesnost modelování. Mračna bodů byla očistěna od bodů, které netvořily skenovaný objekt. Tím byla data předpřipravena. Následné zpracování mračen bodů proběhlo v programu Geomagic, kde byly provedeny potřebné úkony pro tvorbu síťového modelu skenovaného objektu. 4.1 Měření oměrných Toto doplňkové měření bylo zpracováno v programu Excel a Groma. Výpočet proběhl v místní souřadnicové soustavě (dále ss). Počátek ss byl odsazen od bodu D, kladná osa +X je rovnoběžná se spojnicí bodů CD, a na ni kolmo osa +Y. Bod D má souřadnice D[1000; 5000;100]. Souřadnice bodu C byly dopočteny z naměřených délek na hodnotu C[1000; 5017,155] (Obrázek 7). V programu Excel byl proveden výpočet na redukci směrů. Pomocí těchto redukovaných směrů a souřadnic bodů C a D byly v programu Groma dopočítány polohové souřadnice zbylých bodů A a B. Z naměřených převýšení byla spočtena průměrná převýšení, která byla následně přičtena k z-ové souřadnici známého bodu, čímž jsme získali hodnotu souřadnic Z. Souřadnice podrobných bodů byly spočteny protínáním vpřed z úhlů [7]., přičemž délky mezi jednotlivým stanovisky a podrobnými body byly spočteny pomocí sinové věty. 18

Obrázek 7: Zvolená souřadnicová soustava Vzorce na protínání z úhlů (Obrázek 8): Y P X P = Y + D = X + D ( Y Y ) cot g ω + ( X X ) C D B C D cot g ω + cot g ω A ( X X ) cot g ω ( Y Y ) C D B C D cot g ω + cot g ω A B B ;, kde: Y P, X P určované souřadnice, Y D, X D..známé souřadnice. Pro kontrolu byly souřadnice vždy vypočteny i z druhého bodu základny, a to podle upravených vzorců: Y P ( Y Y ) cot g ω ( X X ) + = YC + cot g ω + cot g ω C D A C D A B ; X P ( X X ) cot g ω ( Y Y ) = X C + cot g ω + cot g ω C D A C D A B. 19

kde: Y P, X P.určované souřadnice, Y C, X C.známé souřadnice. Výsledné souřadnice X a Y jsou uvedeny v Tabulce 1. Obrázek 8: Protínání z úhlů Obrázek 9: Sinová věta 20

Vzorce pro sinovou větu (Obrázek 9): a b c c = = a = sinα sinα sin β sinγ sinγ c b = sin β sinγ. Převýšení podrobných bodů bylo spočítáno z naměřených zenitek a příslušných délek (Obrázek 10): a tg z = h = tg z a 1 1 h1 tg z1 b = h = b 2 2 h 2 tg z 2,, kde: a,b délky ze sinové věty, h 1,2 převýšení, z 1,2 zenitová vzdálenost. Tímto způsobem byla zjištěna jednotlivá převýšení podrobných bodů. Z výše uvedených vzorců a obrázků je zřejmé, že pro každý bod byla zjištěna 2 převýšení (z obou bodů základny), tzn., že máme 2 z-ové souřadnice podrobných bodů. Výsledná souřadnice Z je aritmetickým průměrem těchto dvou hodnot (viz Tabulka 1). Obrázek 10: Převýšení 21

Podrobné body Souřadnice [m] Délky [m] Převýšení [m] Souřadnice Z [m] Y X a b z A z B z C z D Z 1 Z 2 Rozdíl[mm] Z Ø 1 1009,2385 5011,4239 8,5766 5,8619 1,7839 2,2366 101,4168 101,4163 0,4 101,4166 2 1009,2150 5011,9776 8,1757 6,2634 1,7905 2,2414 101,4234 101,4211 2,3 101,4222 3 1008,8883 5012,0525 8,3465 6,5473 1,7903 2,2420 101,4232 101,4217 1,4 101,4224 4 1009,4990 5011,9891 7,9778 6,0773 2,3952 2,8463 102,0281 102,0260 2,1 102,0270 5 1009,0293 5010,8967 9,1168 5,6878-1,4226-0,9708 98,2103 98,2089 1,4 98,2096 6 1008,0020 5008,2782 11,8304 5,6363-0,8023-0,3502 98,8306 98,8295 1,1 98,8300 7 1007,6979 5008,0752 12,1712 5,9139-0,3402 0,1122 99,2927 99,2919 0,8 99,2923 8 1008,0088 5006,9043 12,9793 5,6042-0,7961-0,3437 98,8368 98,8360 0,8 98,8364 9 1008,0139 5006,5948 13,2422 5,6398-1,0464-0,5940 98,5865 98,5857 0,8 98,5861 10 1008,0118 5006,2477 13,5433 5,7071-1,1584-0,7065 98,4745 98,4732 1,2 98,4738 11 1008,0176 5004,8571 14,7633 6,1552-1,2505-0,7992 98,3824 98,3805 1,9 98,3814 12 1007,0202 5012,1071 8,6462 9,7160 0,1268-0,2830 99,3065 99,3069-0,4 99,30669 13 1007,0103 5012,0279 8,6846 9,7721 1,4335 1,0235 100,6132 100,6134-0,2 100,6133 14 1006,4962 5012,0272 8,2757 10,1843 1,4269 1,0189 100,6066 100,6088-2,2 100,6077 15 1005,8151 5011,9710 7,7899 10,7746 2,8038 2,3925 101,9835 101,9824 1,1 101,9830 16 1005,8008 5011,4424 12,8288 8,1414 2,4316 2,0198 102,0215 102,0198 1,7 102,0206 17 1006,4968 5011,1321 12,8892 8,8591 0,9986 0,5889 100,5885 100,5889-0,4 100,5887 18 1007,0967 5008,6642 11,1996 11,0661-0,7593-1,1701 98,8306 98,8299 0,6 98,83026 19 1007,1930 5007,9765 10,7407 11,6612-0,3053-0,7154 99,2846 99,2846 0,0 99,2846 20 1007,1071 5006,8788 9,8908 12,4945-0,7151-1,1251 98,8748 98,8749-0,1 98,87481 21 1007,1160 5006,2404 9,4646 13,0294-1,1177-1,5270 98,4722 98,4730-0, 9 98,47258 22 1007,1214 5004,8507 8,6165 14,2166-1,2112-1,6205 98,3787 98,3795-0, 7 98,3791 Tabulka 1: Výsledné souřadnice YXZ

Po zjištění prostorových souřadnic všech bodů, byly mezi zvolenými body spočteny prostorové délky podle vzorce: kde: ( ) ( ) ( ) 2 2 2 AB = B A + B A + B A d Y Y X X Z Z d AB.určovaná délka, Y A X A Z A.prostorové souřadnice počátečního bodu určované délky, Y B X B Z B. prostorové souřadnice koncového bodu určované délky., Tyto délky pak byly porovnány s délkami měřenými pásmem a s délkami změřenými přímo na vytvořeném 3D modelu v programu Geomagic (Kapitola 4.3.5, Tabulka 16 19) Obrázek 11: Podrobné body

Obrázek 12: Podrobné body 24

4.2 Opakovatelnost Všech sedm měření bylo nejprve předpřipraveno (očištěno) v programu Cyclone a další úpravy byly provedeny v programu Geomagic. 4.2.1 Zpracování v programu Cyclone Po otevření každého ze sedmi měření, byla pomocí nástroje Ohrada (Fence) vybrána oblast se zaměřeným objektem. Byla vytvořena kopie vybrané části měření a v této kopii proběhla úprava mračen, tzn. očištění mračna od bodů, které netvoří skenovaný objekt (tráva, okolní budovy, auta) (Obrázek 13,14). Obrázek 13: Použití nástroje Ohrada Obrázek 14: Mračno před a po očištění 25

Export dat Po očištění všech mračen byl proveden export souřadnic bodů ve formátu txt. Parametry exportu: Export: ASCII file format: sloupce 3 počet des. míst 3 oddělovač mezera jednotky metry Tímto způsobem bylo vyexportováno sedm *.txt souborů se souřadnicemi bodů. Následující úpravy mračen bodů probíhaly v programu Geomagic studio 10. 4.2.2 Zpracování v programu Geomagic Po načtení *.txt souboru každého měření byla mračna bodů upravena podle návodu [8]. Na takto opravených bodech byla vygenerována trojúhelníková síť (bodová fáze). Tato síť byla upravena do výsledného tvaru (polygonová fáze) 4.2.2.1 Bodová fáze Následující postup byl použit pro všech sedm mračen. Číselné hodnoty jednotlivých úprav a změny počtu bodů v průběhu těchto úprav jsou uvedeny v Tabulce 2. Načtení bodů Načtení dat do programu Geomagic proběhlo příkazem File Import a výběrem příslušného mračna. 26

Výběr odlehlých oblastí (Select Disconnected) Tato funkce vybere odlehlé oblasti, ale pokud je důkladně provedeno manuální mazání, tak tato funkce žádné odlehlé oblasti nenajde. Funkci najdeme na panelu nástrojů. Nastavení je možné měnit hodnotami Separation a Size. Separation byla nastavena na hodnotu medium (odlehlé body, které spolu navzájem úzce sousedí, jsou považovány za odlehlé), hodnota Size na hodnotu 5 (procentuální vyjádření odlehlých bodů z celkového počtu bodů). Nebyly nalezeny žádné odlehlé oblasti. Výběr odlehlých bodů (Select Outliers) Tato funkce najde body, které jsou odlehlé z důvodu například hrubých chyb nebo velkého šumu. Účinnost můžeme měnit volbou Sensitivity (nízká hodnota limituje výběr nejodlehlejších bodů; vysoká hodnota zahrne širší oblast odlehlostí). V tomto případě byla ponechána defaultní hodnota 66.667%. Vybrané body byly smazány. Snížení šumu (Reduce Noise) Tato funkce byla použita pro snížení šumu. Šum může zaoblit ostré hrany, nebo hladké křivky zostřit. Z důvodu, že je tuto funkci potřeba používat velmi opatrně, byly hodnoty funkcí Smoothness level (agresivita vyhledávání bodů), Iterations (počet opakování) nastaveny na minimální hodnoty a Deviation Limit (maximální vzdálenost, o kterou může být bod posunut) na hodnotu 0,5 mm. Zvolena byla forma Free-form Shapes (redukce je provedena s ohledem na povrchové zakřivení). Vypovídající hodnotou je Standard deviation, která popisuje rozptyl vzdáleností. Sjednocení vzorkování (Uniform Sample) Tato funkce provede sjednocení vzorkování celého mračna s vyjímkou částí s velkou křivostí, tzn. že můžeme snížit počet bodů mračna při zachování všech detailů. Po spuštění funkce navrhne průměrnou vzdálenost bodů Absolute spacing (požadovaná vzdálenost v místech s malou křivostí). Tato hodnota byla přenastavena na stejnou hodnotu, jako byla hustota skenování. Hodnota Curvature Priority byla ve všech případech nastavena na maximální hodnotu. 27

Generace trojúhelníkové sítě (Wrap) Po provedení předchozích úprav mohla být vygenerována trojúhelníková síť. Wrap Type byla zvolena Surface (standardní síť pro většinu bodových objektů, zvláště velkých objektů). 4.2.2.2 Polygonová fáze V programu Geomagic má každý trojúhelník sítě normálu, která určuje jeho přední a zadní stranu. Přední strana je konstantně vybarvena modře, zadní strana žlutě. V několika případech se stalo, že část památníku měla obrácené normály. V tom případě byla část sochy oddělena od modelu a otevřena v novém objektu, ve kterém proběhla oprava (Polygons Flip Normals) Oddělení části sochy bylo provedeno jejím označením a příkazem: Edit Selected to Object Cut and paste. Poté byla oddělená část opět připojena k původnímu modelu funkcí Merge Polygons Object. Vytvořené trojúhelníkové sítě měly na povrchu nevyplněné plochy, neboli díry. Ty bylo nutno před dalšími úpravami nejprve vyplnit a vytvořit tak vodotěsný model. Vyplnění otvorů (Fill Holes) Touto funkcí byly vyhledány všechny otvory v síti a následně vyplněny. Před samotným vyplněním bylo nutné využít další nástroje jako: Vyplň částečně (Fill Partial) nástroj, který po nadefinování okraje neuzavřeného otvoru tento otvor vyplní Vyčisti (Clean Up) vymaže vybrané trojúhleníky Vyhlaď (Relax) Nástroj k odstranění šumu trojúhelníkové sítě, jejíž efekt můžeme opticky posoudit a regulovat. Nastavení můžeme regulovat pomocí hodnot Smoothness Level a Strengh. Úroveň vyhlazení byla nastavena na střední hodnotu a síla na minimum. 28

Jedním z vystupů je i hodnota Standard deviation, která popisuje směrodatnou odchylku všech posunutých vrcholů. Výsledky jsou uvedeny v Tabulce 2. Snížení počtu polygonů (Decimate Polygons) Obdoba nástroje Uniform Sample v bodové fázi. Nastavujeme cílový počet trojúhelníků nebo procento z aktuálního počtu. Pro zachování všech trojúhelníků na hranách a v dalších místech s vysokou křivostí, nastavujeme hodnotu Curvature priority na maximum. Konečný počet trojúhelníků byl nastaven na 50%. Tento postup byl zopakován u všech sedmi skenů. V tuto chvíli byly již provedeny všechny potřebné úpravy trojúhelníkových sítí, aby mohly být znázorněny grafické rozdíly. 29

počet bodů reduce noise [mm] počet trojúhelníků relax [mm] OPAKOVATELNOST model 1 model 2 model 3 model 5 model 6 model 7 model 8 celkem 555934 556155 555125 554866 554882 554584 554582 po select outliers 548800 549339 548072 548006 548077 547307 547056 po uniform sample 513058 513845 512132 487444 485561 492875 508836 max distance 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 average distance 0,44 0,44 0,44 0,44 0,43 0,44 0,44 standard deviation 0,13 0,13 0,13 0,13 0,14 0,13 0,13 po wrap 1016637 1018446 1015284 966458 962354 977471 1008648 po fill holes 1021452 1022282 1018848 969689 966246 980742 1011491 po decimate polygons 510726 511141 509423 484844 483123 490370 505744 max distance 15,02 10,46 9,77 10,91 10,21 8,79 9,59 average distance 0,26 0,26 0,26 0,21 0,2 0,2 0,26 standard deviation 0,31 0,31 0,31 0,27 0,27 0,26 0,31 Tabulka 2: Průběžné hodnoty ze zpracování úlohy Opakovatelnost 30

4.2.3 Grafické znázornění rozdílů Porovnání se provádí funkcí 3D Compare v menu Analysis. Porovnávány byly : všechny sítě mezi sebou tzn. všechny možné kombinace, které bylo možno porovnat jedna síť : síť č. 1 v různých úpravách - Wrap 1 - upravena klasickým způsobem (bodová fáze, Wrap, polygonová fáze) - ReWrap 1 - upravena klasickým způsobem (bodová fáze, Wrap, ReWrap, polygonová fáze) - Mračno 1 - původní očištěné mračno č. 1 Před každým porovnáním byla jedna síť zvolena jako referenční, tzn. že k této síti byly porovnávány zbylé sítě. Hodnota Max Deviation byla nastavena vždy na 20 mm. Je to hodnota, která specifikuje největší odchylku, která může být oznámena. Pokud jakákoliv oblast testovaného objektu je za tímto maximem, oznamovací okno oznámí, že je x% bodů příliš vzdáleno, aby mohly být použity do výpočtu. Hodnoty nad 20 mm jsou považovány za odlehlá měření a proto jsou vyloučeny, aby negativně neovlivňovaly výpočet směrodatné odchylky. Výstupními hodnotami po provedeném porovnání jsou Maximum Distance (největší nalezené odchylky ; žádná ale nepřekračuje hodnotu Max Deviation), Average Distance (průměrné nalezené odchylky) a Standard Deviation σr (směrodatná odchylka všech odchylek). Barevné znázornění rozdílů Pomocí funkce 3D Compare bylo vygenerováno barevné vyjádření rozdílů. Změnami hypsometrické stupnice (5 barev) byly pro každý rozdílový model vyhledány krajní hodnoty intervalů tj. středový interval (obsahující 95% vypočtených rozdílů), okrajový interval (rozšířený o 0,5 mm), postranní interval ( zahrnující všechny větší odchylky). Ukázka bude uvedena v příloze č. 1. Z následujících tabulek je zřejmé, jak byly modely mezi sebou porovnávány, a jakých rozdílů a směrodatných odchylek bylo dosaženo. 31

4.2.3.1 Porovnání všech sítí Reference Test Max. distance [m] Average distance [m] Standard deviation σ r positive negative positive negative ø [mm] 2 0,02-0,02 0,0007-0,0005 0,0002 0,8 3 0,02-0,02 0,0008-0,0005 0,0004 0,9 1 5 0,02-0,02 0,0011-0,0005 0,0009 0,9 6 0,02-0,02 0,0013-0,0006 0,0012 0,9 7 0,02-0,02 0,0009-0,0004 0,0007 0,9 8 0,02-0,02 0,0009-0,0004 0,0006 0,8 3 0,02-0,02 0,0006-0,0005 0,0002 0,8 5 0,02-0,02 0,0009-0,0004 0,0006 0,8 2 6 0,02-0,02 0,0011-0,0005 0,0010 0,9 7 0,02-0,02 0,0009-0,0005 0,0005 0,9 8 0,02-0,02 0,0008-0,0005 0,0004 0,9 5 0,02-0,02 0,0008-0,0005 0,0004 0,8 3 6 0,02-0,02 0,0010-0,0005 0,0008 0,8 7 0,02-0,02 0,0007-0,0005 0,0003 0,8 8 0,02-0,02 0,0007-0,0006 0,0002 0,9 6 0,02-0,02 0,0006-0,0004 0,0003 0,7 5 7 0,02-0,02 0,0005-0,0006-0,0002 0,7 8 0,02-0,02 0,0005-0,0007-0,0003 0,8 6 7 0,02-0,02 0,0004-0,0007-0,0005 0,6 8 0,02-0,02 0,0004-0,0008-0,0006 0,7 7 8 0,02-0,02 0,0005-0,0006-0,0001 0,7 Tabulka 3: Opakovatelnost - porovnání všech sítí 4.2.3.2 Porovnání jedné sítě počet bodů reduce noise [mm] počet trojúhelníků relax [mm] WRAP 1 X REWRAP 1 WRAP 1 REWRAP 1 celkem 555934 556155 po select outliers 548800 549339 po uniform sample 513058 513845 max distance 0,5 0,5 average distance 0,44 0,44 standard deviation 0,13 0,13 po wrap 1016637 1017548 po fill holes 1021452 1020379 po decimate polygons 510726 510189 max distance 15,02 10,08 average distance 0,26 0,26 standard deviation 0,31 0,31 Tabulka 4: Opakovatelnost parametry vytvořených sítí 32

Max. distance [m] Average distance [m] Standard Reference Test positive negative positive negative ø deviation σ r [mm] ReWrap 1 0,02-0,02 0,0000-0,0001 0 0,3 Wrap 1 Mračno 1 0,02-0,02 0,0014-0,0014 0 1,8 ReWrap 1 Mračno 1 0,02-0,02 0,0014-0,0014 0 1,8 Tabulka 5: Opakovatelnost - porovnání jedné sítě 4.2.4 Porovnání směrodatných odchylek Směrodatné odchylky určené programem Geomagic byly porovnány s odchylkami spočtenými z intervalů, určených hypsometrickou stupnicí (viz kapitola 4.2.3) Směrodatná odchylka jednoho měření σ 0 byla vypočtena podle vzorce: m m = up 2 σ 0 σ 0 =, up 2 kde: m hranice intervalu, up koeficient spolehlivosti. Reference Test Standard deviation σ r [mm] interval,obsahující 95% odchylek Standard Deviation spočtená σ 0 [mm] 2 0,80 0,0015-0,0015 0,53 3 0,90 0,0020-0,0020 0,71 1 5 0,90 0,0025-0,0025 0,88 6 0,90 0,0025-0,0025 0,88 7 0,90 0,0020-0,0020 0,71 8 0,80 0,0020-0,0020 0,71 3 0,80 0,0015-0,0015 0,53 5 0,80 0,0020-0,0020 0,71 2 6 0,90 0,0025-0,0025 0,88 7 0,90 0,0015-0,0015 0,53 8 0,90 0,0020-0,0020 0,71 5 0,80 0,0015-0,0015 0,53 3 6 0,80 0,0020-0,0020 0,71 7 0,80 0,0015-0,0015 0,53 8 0,90 0,0015-0,0015 0,53 6 0,70 0,0015-0,0015 0,53 5 7 0,70 0,0015-0,0015 0,53 8 0,80 0,0015-0,0015 0,53 6 7 0,60 0,0015-0,0015 0,53 8 0,70 0,0020-0,0020 0,71 7 8 0,70 0,0015-0,0015 0,53 Tabulka 6: Porovnání všech sítí 33

4.3 Vliv rozmístění stanovisek a hustoty skenování na přesnost modelování Pro tento experiment bylo vytvořeno 32 skenů, zachycujících skenovaný objekt z osmi různých stanovisek (Obrázek 5). Všechna měření byla nejprve očištěna v programu Cyclone, čímž byla připravena pro následný export do *.txt souborů. Ty byly načteny do programu Geomagic. Pro každou ze čtyř hustot byly vytvořeny modely ze čtyř rohových nebo všech osmi stanovisek. Celkem tedy 8 modelů. 4.3.1 Zpracování v programu Cyclone Průběh zpracování je obdobný jako v úloze Opakovatelnost. Byla vytvořena kopie každého z 32 měření a v této kopii proběhlo očištění mračen od bodů, které nebyly součástí vyhodnocovaného objektu. Poté bylo vyexportováno 32 txt souborů obsahujících souřadnice bodů. Export dat Parametry exportu: Export: ASCII file format: sloupce 3 počet des. míst 3 oddělovač mezera jednotky metry Obrázek 15: Porovnání mračna o hustotě skenování 5mm x 5mm a 50mm x 50mm 34

4.3.2 Zpracování v programu Geomagic Registrace Registrace sloučí měření z jednotlivých stanovisek do jediného souřadnicového systému. Skládá se ze dvou kroků: - manuální registrace, - globální registrace. Manuální registrace Jedná se o registraci dvou mračen s překrývajícími se oblastmi. Je založena na definování identických bodů překrývajících se oblastí dvou skenů. Zvolit můžeme tzv. 1-point Registration, kdy volíme pouze jeden identický bod, nebo tzv. n-point Registration, kdy můžeme volit tři až devět identických bodů. Po spuštění programu Geomagic byly načteny všechny textové soubory obsahující data, pro vytvoření modelu v určité hustotě. Proces registrace byl spuštěn pomocí příkazu Tools Registration Manual Registration. Po otevření dialogového okna byla zvolena možnost n-point Registration, a dále bylo jedno mračno zvoleno jako Fixed a další jako Floating. Při registraci je pracovní okno rozděleno do tří podoken s názvy Fixed, Floating a Isometric. V podoknech Fixed a Floating jsou zobrazena mračna, která chceme registrovat a v podokně Isometric jsou obě mračna ve vzájemné poloze vůči sobě. Následoval samotný proces registrace, při kterém byly vkládány identické body do obou mračen. Výběr identických bodů byl prováděn velmi pečlivě. Po výběru bodů byl spuštěn proces registrace. Po vizuální kontrole kvality registrace v podokně Isometric následovalo připojení dalšího mračna přes volbu Next. Po připojení posledního mračna byla registrace dokončena volbou tlačítka OK. Pro zlepšení kvality registrace byla provedena globální registrace. 35

Globální registrace Proces registrace je založen na minimalizaci vzdáleností překrytových oblastí. Globální registrace byla spuštěna příkazem Tools Global Registration. Bylo ponecháno defaultní nastavení, tzn. hodnota Tolerance (průměrná odchylka mezi body dvou mračen, která by zastavila proces registrace) byla nastavena na 0 a hodnota Max Iterations na 100. Pouze položka Simple Size (počet bodů z každého mračna, použitých pro registraci) byla nastavena na hodnotu 10 000 (maximum, které můžeme v programu Geomagic Studio 10 nastavit) Po manuální a globální registraci jednotlivých mračen a sloučení těchto mračen do jednoho objektu (Merge Points Objects) následoval obdobný postup jako v kapitole 4.2.2: Bodová fáze Načtení bodů Výběr odlehlých oblastí (Select Disconnected) Výběr odlehlých bodů (Select Outliers) Snížení šumu (Reduce Noise) Sjednocení vzorkování (Uniform Sample) Generace trojúhelníkové sítě (Wrap) Polygonová fáze Vyplnění otvorů (Fill Holes) Počet děr Počet Hustota stanovisek 0,5 x 0,5 1 x 1 2 x 2 5 x 5 8 103 48 17 13 4 133 41 15 11 Tabulka 7: Tvorba modelů - počet děr Vyhlaď (Relax) Snížení počtu polygonů (Decimate Polygons) Tímto postupem bylo vytvořeno 8 modelů a následovalo vytvoření rozdílů těchto modelů. 36

Modely vytvořené z rohových stanovisek Hustota Rohová stanoviska 0,5 x 0,5 1 x 1 2 x 2 5 x 5 globální average distance 5,7 8,2 13,8 33,9 registrace [m] standard deviation 10,6 9,2 9,5 19,5 počet bodů reduce noise [m] počet trojúhelníků relax [m] po glob. registraci 1721732 427982 106829 21799 po select outliers 1695970 423207 106046 21717 po uniform sample 1426041 348073 96353 14820 max distance 0,5 0,5 0,5 0,5 average distance 0,45 0,46 0,47 0,48 standard deviation 0,12 0,11 0,10 0,08 wrap 2499999 689805 190804 29114 fill holes 2543821 700144 194018 29307 decimate polygons 1271909 350071 97009 14653 max distance 11,48 33,13 25,2 41,51 average distance 0,22 0,30 0,59 1,91 standard deviation 0,26 0,41 0,85 2,37 Tabulka 8: Modely tvořené z rohových stanovisek - zpracování Modely vytvořené ze všech stanovisek Hustota Všechna stanoviska 0,5 x 0,5 1 x 1 2 x 2 5 x 5 globální average distance 4,4 7,2 12,5 28,4 registrace [m] standard deviation 6,3 6,6 8,5 18,1 po glob. registraci 3340426 830521 212804 38448 počet bodů po select outliers 3260203 817691 210390 38262 reduce noise [m] počet trojúhelníků relax [m] po uniform sample 2514841 659233 165543 27870 max distance 0,5 0,5 0,5 0,5 average distance 0,45 0,46 0,47 0,48 standard deviation 0,12 0,11 0,10 0,08 wrap 2500000 1308393 328288 55049 fill holes 2533549 1324647 330891 55585 decimate polygons 1266773 662323 165445 27791 max distance 11,46 15,80 20,78 33,18 average distance 0,16 0,22 0,41 1,31 standard deviation 0,22 0,32 0,58 1,78 Tabulka 9: Modely tvořené ze všech stanovisek - zpracování 37

4.3.3 Grafické znázornění rozdílů Porovnání bylo provedeno pomocí funkce 3D Compare. Hodnota Max Deviation byla nastavena na 20 mm nebo 50 mm, podle toho, jaké hustoty byly testovány. Pokud v testované dvojici byl model o hustotě 50 mm x 50 mm, byla hodnota Max Deviation nastavena na 50 mm, protože v opačném případě program oznámil, že 12-18% bodů je za touto povolenou hranicí a body proto nebudou zahrnuty do výpočtu. Hypsometrická stupnice byla nastavována stejně jako v úloze Opakovatelnost (viz kapitola 4.2.3) Ukázka je uvedena v příloze č. 2. Rozdíly modelů ze všech stanovisek Reference 0,5 x 0,5 1 x 1 Test Max. distance [m] Average distance [m] Standard deviation σ r positive negative positive negative ø [mm] 1 x1 0,02-0,02 0,0012-0,0010 0,0001 1,5 2 x 2 0,02-0,02 0,0025-0,0019 0,0004 3,0 5 x 5 0,05-0,05 0,0053-0,0048 0,0009 7,0 2 x 2 0,02-0,02 0,0018-0,0015 0,0004 2,5 5 x 5 0,05-0,05 0,0049-0,0046 0,0009 6,8 2 x 2 5 x 5 0,02-0,02 0,0038-0,0038 0,0005 5,3 Tabulka 10: Porovnání modelů tvořených ze všech stanovisek Rozdíly modelů z rohových stanovisek Reference 0,5 x 0,5 1 x 1 Test Max. distance [m] Average distance [m] Standard deviation σ r positive negative positive negative ø [mm] 1 x1 0,02-0,02 0,0014-0,0014 0 2,0 2 x 2 0,02-0,02 0,0032-0,0028 0,0003 4,2 5 x 5 0,05-0,05 0,0073-0,0105-0,0030 11,8 2 x 2 0,02-0,02 0,0025-0,0024 0,0004 3,4 5 x 5 0,05-0,05 0,0071-0,0105-0,0029 11,6 2 x 2 5 x 5 0,02-0,02 0,0051-0,0080-0,0023 8,3 Tabulka 11: Porovnání modelů tvořených z rohových stanovisek Porovnání hustot Hustota Reference Test Max. distance [m] Average distance [m] Standard deviation σ r positive negative positive negative ø [mm] 0,5 x 0,5 roh vše 0,02-0,02 0,0042-0,0010 0,0028 3,8 1 x1 roh vše 0,02-0,02 0,0034-0,0019 0,0029 2,1 2 x 2 roh vše 0,02-0,02 0,0047-0,0017 0,0030 4,5 5 x 5 roh vše 0,05-0,05 0,0138-0,0045 0,0077 12,3 Tabulka 12: Porovnání modelů stejných hustot 38

4.3.4 Porovnání směrodatných odchylek Směrodatné odchylky σr určené programem Geomagic byly porovnány s odchylkami σ 0 spočtenými z intervalů, určených hypsometrickou stupnicí (viz kapitola 4.2.3) Modely ze všech stanovisek Reference Test Standard deviation σ r [mm] Interval obsahující 95% odchylek Standard Deviation spočtená σ 0 [mm] 1 x1 1,5 0,0025-0,0025 1,8 0,5 x 0,5 2 x 2 3,0 0,0040-0,0040 2,8 5 x 5 7,0 0,0250-0,0250 17,7 1 x 1 2 x 2 2,5 0,0040-0,0040 2,8 5 x 5 6,8 0,0120-0,0120 8,5 2 x 2 5 x 5 5,3 0,0100-0,0100 7,1 Tabulka 13: Porovnání směrodatných odchylek Modely z rohových stanovisek Reference Test Standard deviation σ r [mm] Interval obsahující 95% odchylek Standard Deviation spočtená σ 0 [mm] 1 x1 2,0 0,0030-0,0030 2,1 0,5 x 0,5 2 x 2 4,2 0,0080-0,0080 5,7 5 x 5 11,8 0,0300-0,0300 21,2 1 x 1 2 x 2 3,4 0,0070-0,0070 4,9 5 x 5 11,6 0,0350-0,0350 24,7 2 x 2 5 x 5 8,3 0,0230-0,0230 16,3 Tabulka 14: Porovnání směrodatných odchylek Modely stejných hustot Hustota Reference Test Standard deviation σ r [mm] Interval obsahující 95% odchylek Standard Deviation spočtená σ 0 [mm] 0,5 x 0,5 roh vše 3,8 0,0090-0,0090 3,2 1 x1 roh vše 2,1 0,0050-0,0050 1,8 2 x 2 roh vše 4,5 0,0200-0,0200 7,1 5 x 5 roh vše 12,3 0,0300-0,0300 10,6 Tabulka 15:Porovnání směrodatných oddchylek 39

4.3.5 Porovnání délek V kapitole 4.1 byl popsán výpočet prostorových délek mezi podrobnými body na památníku. Jak již bylo řečeno, tyto délky byly porovnány s délkami zjištěnými pásmem, s délkami změřenými na vytvořených 3D modelech a dále také s délkami změřenými na očištěných mračnech. Nejprve byly porovnány vybrané délky mezi body, mezi kterými byla změřena oměrná míra pásmem. Tyto délky byly dále porovnány s délkami zjištěnými na prostorovém modelu (vytvořený ze všech stanovisek, o hustotě 5 mm x 5 mm) a s délkami změřenými na odpovídajícím mračně bodů (hustota 5 mm x 5 mm). Také byla vypočtena procentuální změna délky na modelu od délky spočtené ze souřadnic. Počáteční Koncový Délka [m] bod bod ze souřadnic oměrka model mračno změna [%] 17 18 3,089 3,092 3,089 3,090 0,00 21 22 1,393 1,392 1,391 1,392 0,13 10 11 1,394 1,392 1,390 1,396 0,26 10 21 0,896 0,894 0,878 0,896 1,99 11 21 1,654 1,654 1,644 1,654 0,59 11 22 0,896 0,894 0,881 0,894 1,70 7 18 0,960 0,985 0,964 0,969-0,40 Tabulka 16: Porovnání délek Počáteční Délka [m] Rozdíly [mm] bod Koncový bod ze souřadnic oměrka model mračno 17 18 3,089-3 0-1 21 22 1,393 1 2 1 10 11 1,394 2 4-2 10 21 0,896 2 18 0 11 21 1,654 0 10 0 11 22 0,896 2 15 2 7 18 0,960-25 -4-9 Tabulka 17: Porovnání délek 40

Porovnání délek na modelech vyvořených ze všech stanovisek Počáteční Koncový Délka [m] 5 mm x 5 mm 20 mm x 20 mm bod bod ze souřadnic model mračno model mračno 2 3 0,335 0,335 0,332 0,357 0,331 2 4 0,668 0,665 0,668 0,660 0,665 12 13 1,309 1,312 1,308 1,330 1,304 13 14 0,514 0,515 0,511 0,505 0,506 18 19 0,830 0,831 0,834 0,838 0,837 18 20 1,786 1,784 1,787 1,788 0,782 Tabulka 18:Porovnání délek Počáteční Koncový Rozdíly [mm] 5 mm x 5 mm 20 mm x 20 mm bod bod ze souřadnic model mračno model mračno 2 3 0,335 0 3-22 4 2 4 0,668 3 0 8 3 12 13 1,309-3 1-21 5 13 14 0,514-1 3 9 8 18 19 0,830-1 -4-8 -7 18 20 1,786 2-1 -2 4 Tabulka 19:Porovnání délek Počáteční Koncový Délka [m] 10 mm x 10 mm 50 mm x 50 mm bod bod ze souřadnic model mračno model mračno 2 3 0,335 0,335 0,335 0,369 0,376 2 4 0,668 0,664 0,663 0,657 0,608 12 13 1,309 1,318 1,306 1,341 1,342 13 14 0,514 0,510 0,514 0,510 0,519 18 19 0,830 0,835 0,830 0,838 0,858 18 20 1,786 1,788 1,785 1,781 1,821 Tabulka 20: Porovnání délek Délka [m] Rozdíly [mm] Počáteční Koncový 10 mm x 10 mm 50 mm x 50 mm bod bod ze souřadnic model mračno model mračno 2 3 0,335 0 0-34 -41 2 4 0,668 4 5 11 60 12 13 1,309-9 3-32 -33 13 14 0,514 4 0 4-5 18 19 0,830-5 0-8 -28 18 20 1,786-2 1 5-35 Tabulka 21:Porovnání délek 41

Porovnání délek na modelech vyvořených z rohových stanovisek Počáteční Délka [m] 5 mm x 5 mm 20 mm x 20 mm bod Koncový bod ze souřadnic model mračno model mračno 2 3 0,335 0,336 0,333 0,360 0,325 2 4 0,668 0,664 0,663 0,655 0,658 12 13 1,309 1,311 1,309 1,333 1,308 13 14 0,514 0,511 0,513 0,500 0,511 18 19 0,830 0,83 0,830 0,844 0,824 18 20 1,786 1,787 0,786 1,785 1,777 Tabulka 22:Porovnání délek Počáteční Rozdíly [mm] 5 mm x 5 mm 20 mm x 20 mm bod Koncový bod ze souřadnic model mračno model mračno 2 3 0,335-1 2-25 10 2 4 0,668 4 5 13 10 12 13 1,309-2 0-24 1 13 14 0,514 3 1 14 3 18 19 0,830 0 0-14 6 18 20 1,786-1 0 1 9 Tabulka 23: Porovnání délek Počáteční Koncový Délka [m] 10 mm x 10 mm 50 mm x 50 mm bod bod ze souřadnic model mračno model mračno 2 3 0,335 0,332 0,335 0,372 0,376 2 4 0,668 0,666 0,663 0,628 0,608 12 13 1,309 1,323 1,306 1,400 1,342 13 14 0,514 0,506 0,514 0,505 0,519 18 19 0,830 0,836 0,830 0,864 0,858 18 20 1,786 1,781 1,785 1,777 1,821 Tabulka 24: Porovnání délek Počáteční bod Rozdíly [mm] Koncový bod 10 mm x 10 mm 50 mm x 50 mm ze souřadnic model mračno model mračno 2 3 0,335 3 0-37 -41 2 4 0,668 2 5 40 60 12 13 1,309-14 3-91 -33 13 14 0,514 8 0 9-5 18 19 0,830-6 0-34 -28 18 20 1,786 5 1 9-35 Tabulka 25: Porovnání délek 42

5 ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ 5.1 Opakovatelnost Z experimentu Opakovatelnost, kdy byl 7x naskenován jeden objekt při změně výchozích podmínek skenování, vyplývá, že opakováním měření při stejné pozici skeneru se výrazně nemění výsledný vytvořený model. Při porovnání dvou modelů se průměrné vzdálenost těchto modelů pohybují většinou pod hranicí 1 mm, největší odchylka byla nalezena 1,2 mm. Dále bylo zjištěno, že použití funkce Rewrap (přesíťování) nemá na výsledný model vliv a tento model se neliší od modelu vytvořeném pouze s funkcí Wrap. Při porovnání původního mračna a z něho vytvořené trojúhelníkové sítě bylo zjištěno, že se poloha původních bodů změní o ± 1,5 mm. Směrodatná odchylka rozdílu byla programem Geomagic spočtena lepší než 1 mm. 5.2 Vliv rozmístění stanovisek a hustoty skenování na přesnost modelování Porovnáním modelů všech hustot, vytvořených ze všech stanovisek bylo zjištěno, že se zmenšující se hustotou skenování se zvětšuje vzdálenost povrchů obou testovaných modelů, a to od 1 mm do 5 mm. Povrchy obou modelů se vzájemně prolínaly. Směrodatná odchylka σr určení rozdílů roste s klesající hustotou. Nabývá hodnot od 1,5 mm do 7 mm. Viz Tabulka 10. Pro modely tvořené z rohových stanovisek byly zjištěny vzdálenosti povrchů modelů od 1,4 mm do 10 mm. Směrodatná odchylka σr určení rozdílu nabývá hodnot od 2 mm do 11,8 mm. Viz Tabulka 11. Při porovnání modelů ze všech stanovisek s modely z rohových stanovisek byly zjištěny rozdíly povrchů od 2 mm do 4,5 mm, přičemž nejlepší shody dosáhly modely o hustotě 10 mm x 10 mm. Také směrodatná odchylka rozdílu byla lepší než u modelů vyšší hustoty, viz Tabulka 12. Při porovnávání délek byla jako správná délka uvažována délka ze souřadnic a s touto délkou byly porovnány ostatní délky (oměrná, z modelu, z mračna). Jen malé rozdíly dávala délka zjištěná z modelu o hustotě 5 mm x 5 mm. Tento model má i přes použití funkce Relax nejlépe vymodelované hrany, míra zaoblení hran není tolik výrazná, a model tudíž nejvíce odpovídá skutečnému stavu skenovaného objektu. 43

Délky zjištěné z modelů o hustotě 10 mm x 10 mm se liší od délek ze souřadnic do 10 mm, délky z modelů 20 mm x 20 mm jsou rozdílné maximálně o 25 mm. Modely o hustotě 50 mm x 50 mm už mají velmi výrazně zaoblené hrany a je tedy poměrně obtížné na nich jednozněčně identifikovat rohové body. Délky se tedy liší výrazněji a to o 20 mm až 40 mm. Největší zjištěný rozdíl je 90 mm. Ještě menších rozdílů bylo dosaženo, při porovnání délek ze souřadnic a délek změřených přímo na mračnech bodů. V těchto mračnech je poměrně snadné identifikovat hranu či roh objektu. Platí to zejména pro mračna o hustotě 5 mm x 5 mm a 10 mm x 10 mm. Tyto rozdíly jsou většinou v rozmezí 1 2 mm, maximálně 5 mm. U mračen o hustotě 20 mm x 20 mm jsou tyto rozdíly do 10 mm. U mračna o hustotě 50 mm x 50 mm už rozdíly nabývají hodnot 20 mm 60 mm. Z vypočtených hodnot uvedených v tabulkách 16 25 je patrné, že nejvhodnější je měřit délku přímo na mračnu naskenovaném s vyšší hustotou (tj. 5 mm x 5 mm, 10 mm x 10 mm). Tato mračna, narozdíl od modelů, nejsou zatížena vlivem úprav při zpracování, a mračno tedy nejlépe odpovídá skenovanému objektu. Je tedy vhodnější než z něho vytvořený model. Tento závěr platí ovšem pouze pro mračna vyšších hustot. Pro nižší hustoty skenování už to ovšem neplatí, protože vlivem většího rozestupu bodů se mohou ztrácet hrany objektu. 44

6 ZÁVĚR Zadáním této diplomové práce bylo testování skenovacího systému Leica HDS 3000, sběr dat potřebných pro testování, zpracování a vyhodnocení těchto dat. Cílem bylo zjistit, zda změny nastavení skenování ovlivňují přesnost modelování a zda tuto přesnost ovlivňuje i rozmístění stanovisek a hustota skenování. Skenovaným objektem byl památník Kardinála Josefa Berana. Část naměřených dat pro tuto práci byla převzata od Ing. Jany Pospíšilové, se kterou jsem při zpracování úzce spolupracovala. Druhé části měření jsem se osobně účastnila. Zpracování dat, po domluvě s Ing. Pospíšilovou a vedoucím práce, probíhalo stejným způsobem, byly použity stejné nástroje a postupy. Výsledné hodnoty zpracování a závěrů budou předány Ing. Pospíšilové, která tyto hodnoty použije ve své disertační práci, kde porovná vliv zpravovatele na výslednou přesnost modelování. (zda 2 lidé dosáhnout stejných výsledků při identickém postupu zpracování). V této diplomové práci byl testován pouze skenovací systém HDS 3000 a vyhodnocovací software Geomagic. Z experimentu Opakovatelnost jednoznačně vyplynulo, že přesnost (směrodatná odchylka rozdílů) opakovaného měření se pohybuje kolem hodnoty lehce pod 1 mm. Dále bylo zjištěno, že hustota skenování má výrazný vliv na tvar skenovaného objektu (jedná-li se o objekt s výrazným tvarovým zakřivením). Má-li být skenovaný objekt zachycen co nejvěrněji, je nutné ho skenovat s co nejvyšší hustotou. Při menší hustotě skenování jsou již výrazně ztraceny detaily a klesá přesnost. Zda je model vytvořen z osmi stanovisek rozmístěných okolo objektu, nebo ze čtyř rohových stanovisek, nemá významný vliv na tvar a vzhled modelu a výslednou přesnost. Z hlediska menší časové náročnosti při pořizování a zpracování dat tedy zcela postačí skenovat objekt ze čtyř rohových stanovisek. Pokud má vytvořený prostorový model sloužit ke zjišťování rozměrů, je nejvýhodnější tyto rozměry zjišťovat z modelu o co nejvyšší hustotě (v našem případě 5 mm x 5 mm a 10 mm x 10 mm). U těchto modelů není zaoblení rohů vlivem zpracování tolik výrazné a je tedy možné poměrně přesně určit dvojici bodů určujících daný rozměr. Pro velmi přesné zjištění délky ovšem postačí naskenované a neupravené mračno bodů, které nejlépe odpovídá naskenovanému objektu. 45

7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] ŠTRONER, Martin. POSPÍŠIL, Jiří.: Terestrické skenovací systémy. 1. vyd. Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2008. 187 s. ISBN 978-80-01-04141-3 [2] ŠTRONER, Martin. Teorie fungování terestrickcýh skenovacích systémů. Fyzikální principy skenovacích systémů. Bezpečnost práce. [online]. 2009. [cit 2010-11-20] Dostupné z <http://k154.fsv.cvut.cz/~stroner/lsk/index.html> [3] RYBAŘÍK, Václav. Nová sochařská díla z prachtického dioritu. [online]. 2007. [cit 2010-11-20]. Dostupné z <http://www.revuekamen.cz/prachaticky-diorit.htm> [4] Životopis kardinála Josefa Berana [online]. 2011. [cit 2010-10-25]. Dostupné z <http://www.apha.cz/zivotopis-kardinala-josefa-berana/> [5] Technické parametry od výrobce, výrobní materiály Leica [6] Technické parametry od výrobce, výrobní materiály Leica. [7] RATIBORSKÝ, Jan. Geodézie 10. 1.vyd. Praha: vydavatelsví ČVUT, 2000. 234s. ISBN 80-01-02198-X. [8] KOSKA, Bronislav.Návod na cvičení: Projekt Vytvořené modelu sochy.[online]. Dostupné z < http://k154.fsv.cvut.cz/~koska/vyuka/ostatni.php/navodsocha.pdf> [9] Nápověda k programu Cyclone 6.0 [10] Nápověda k programu Geomagic Studio 10 46

8 SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1: Opakovatelnost : Grafické znázornění rozdílů, změna hypsometrické stupnice Příloha č. 2: Vliv rozmístění stanovisek a hustoty skenování na přesnost modelování : Grafické znázornění rozdílů, změna hypsometrické stupnice Příloha č. 3: Složka Měření oměrných s výpočty provedenými v programu Excel- DVD - zápisníky z měření - mereni_omernych.xls Příloha č. 4: Složka Kompletní výsledky s hodnotami zpracování tvorby modelů - DVD - kompletni vysledky.xls Příloha č. 5: Složka Opakovatelnost -DVD - soubor Opakovatelnost.imp obsahující měřená data - složka Exporty Cyclone obsahující txt soubory se souřadnicemi bodů - složka Vytvořené modely obsahující všechny vytvořené sítě ve formátu wrp. - složka Grafické znázornění rozdílů obsahuje obrázky, znázorňující vývoj intervalů hypsometrické stupnice. Příloha č. 6: Složka 3D modely -DVD - soubor Beran.imp obsahující měřená data - složka Exporty Cyclone obsahující txt soubory se souřadnicemi bodů - složka Vytvořené modely obsahuje o Modely z rohových stanovisek o Modely ze všech stanovisek - složka Grafické znázornění rozdílů obsahuje obrázky, znázorňující vývoj intervalů hypsometrické stupnice. - Příloha č. 7 : Soubor dp_lucie_popelkova.pdf : elektornická podoba diplomové práce ve formátu pdf. - DVD 47

Příloha č. 1 48

Příloha č. 2 49

50