Transcript Úvod do 3D skenování

Úvod do 3D skenování
Ing. Tomáš Křemen, Ph.D.
Katedra speciální geodézie
Fakulta stavební, ČVUT v Praze
Doporučená literatura:
[1] Štroner, M. a kol.: 3D skenovací systémy Česká technika - nakladatelství
ČVUT, Praha, 2013, ISBN 978-80-01-05371-3.
[2] Štroner, M. - Pospíšil, J.: Terestrické skenovací systémy. Česká technika nakladatelství ČVUT, Praha, 2008. 187 s. ISBN 978-80-01-04141-3.
[3] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laser Scanning 1
in Civil Engineering and Land Surveying. Vega, 2004. 103 s.
Úvod do 3D skenování
Obsah:
1. Základní pojmy
2. Principy a základní typy
3. Vlivy působící na skenování.
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
5. Kinematické 3D skenování – odlišnosti a vlastnosti.
6. Vybrané existující systémy
7. Podstatné parametry 3D skenovacích systémů.
8. Aplikace terestrických systémů.
2
1. Základní pojmy
Skenování:
- neselektivní určování
prostorových souřadnic
objektu a jejich ukládání do
paměti,
- provádí se pomocí skeneru,
automaticky podle
nastavených parametrů,
- je řízeno počítačem,
- výsledkem je tzv. mračno bodů
obsahující desítky, i stovky
miliónů bodů.
3
1. Základní pojmy
Hlavní znaky měření:
- neselektivní určování 3D souřadnic,
- obrovská množství bodů (mračna), řádově miliony,
- velká rychlost měření, 10 000 bodů za sekundu a více (miliony),
- nutná nová forma zpracování, zvláště pro geodety.
4
1. Základní pojmy
Skenery:
- přístroje, které určují prostorovou
polohu diskrétních bodů
5
2. Principy a základní typy
Dělení pozemních statických systémů podle principu
měření :
6
2. Principy a základní typy
Polární skener:
- z hlediska principu se
jedná o totální stanici
s bezhranolovým
dálkoměrem (nikoli
provedením),
- dálkoměr na principu
měření tranzitního
času nebo fázového
rozdílu.
7
2. Principy a základní typy
Polární skener:
ZR C AD LO
LASER
8
2. Principy a základní typy
Skener se základnou - jednokamerový :
- souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze
základny.
9
2. Principy a základní typy
Skener se základnou - dvoukamerový :
- souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze
základny, projektor slouží jen k označení bodů,
- Jsou skenery s projektorem (strukturované světlo i bez).
10
2. Principy a základní typy
Dělení podle zorného pole :
- kamerový
- panoramatický
11
2. Principy a základní typy
Polární skener měří:
- vodorovný směr,
- svislý úhel,
- šikmou délku (fázový nebo pulsní dálkoměr).
- (obrazová data – digitální fotografie interní x externí).
Souřadnicová soustava:
- počátek ve vztažném bodě skeneru,
- obecně skener není horizontován, tj. souřadná
soustava je obecně natočená a umístěná,
- do geodetického systému nutno transformovat
prostorovou transformací.
12
3. Vlivy působící na skenování
Vnitřní vlivy (chyby skeneru)
- přesnost určení délky,
- přesnost určení vodorovného směru a svislého úhlu.
Vnější vlivy
- vliv prostředí na průchod svazku,
- vliv geometrie skenovaných objektů na měření,
- vliv povrchu skenovaných objektů na měření.
Vlivy zpracování
- Transformace, spojování skenů;
- (aproximace při zpracování).
13
3. Vlivy působící na skenování
Vnitřní vlivy (chyby skeneru)
- přesnost určení délky,
- přesnost určení vodorovného směru a svislého úhlu.
- Nelze běžně opakovat měření a zvyšovat přesnost,
- nelze měřit ve dvou polohách.
14
3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy
- vliv prostředí na průchod svazku (refrakce)
Terestrická měření často probíhají v časově a opticky
proměnných, přízemních vrstvách zemské atmosféry. V důsledku
změn stavových parametrů prostředí dochází ke změně indexu
lomu tohoto prostředí a toto je pak z optického hlediska
nehomogenní. Paprsky elektromagnetického záření pak
v takovémto prostředí přestávají být přímkami a stávají se
obecnými prostorovými křivkami.
15
3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy
- vliv geometrie skenovaných objektů na měření:
záření
odražené zpět
záření
dopadající
záření
rozptýlené
záření
absorbované
povrchem
záření odražené
pod úhlem dopadu
16
3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy
- vliv geometrie skenovaných objektů na měření:
S kene r
17
3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy
- vliv geometrie skenovaných objektů na měření:
P '
P
P '
P
18
3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy - vliv povrchu skenovaných objektů na měření.
MATERIÁL
REFLEKTIVITA / %
Bílý papír
do 100%
Stavební dřevo (borovice, čistá, suchá)
94%
Sníh
80-90%
Bílé zdivo
85%
Jíl, vápenec
do 75%
Potištěný novinový papír
69%
Listnaté stromy
typ. 60%
Jehličnaté stromy
typ. 30%
Plážový, pouštní písek
typ. 50%
Hladký beton
24%
Asfalt s oblázky
17%
Láva
8%
Černý neoprén
5%
19
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
-
Rekognoskace měřeného prostoru.
Volba stanovisek pro skenování. (kamerový x panoramatický).
Signalizace a zaměření identických bodů. (umělé x přirozené).
Měření. (Skenování, pořizování obrazových dat).
Vstupní úpravy mračen bodů.
Spojování jednotlivých skenů (transformace (registrace)).
Úpravy mračen bodů.
Zpracování dat
- aproximace objektů plochami (rovina, koule, válec, atd. …),
- modelování s využitím mnoha plošek (trojúhelníkové sítě),
- aproximace plochami s proměnlivou křivostí (např. Bspline).
- Vizualizace (přiřazení barev, textur, skutečných barev), vytváření
prezentací, animací a pod.
20
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Signalizace a zaměření identických bodů:
21
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Signalizace a zaměření identických bodů:
22
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Signalizace a zaměření identických bodů:
- Lze využít přirozeně signalizovaných bodů, které lze
modelováním přesně určit a zároveň zaměřit, jako např. ostré
rohy, středy koulí nebo jejich části.
- zejména se využívají identické body dodávané výrobcem ke
konkrétnímu přístroji, většinou lze použít i speciální procedury
nalezení a zaměření,
- zaměření obvykle běžnými geodetickými metodami,
- ovlivňují přesnost spojování mračen bodů,
- musí umožnit transformaci s kontrolou.
Lze pracovat bez identických bodů (jedno stanovisko nebo
metoda minimální vzdálenosti povrchů).
23
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Spojování jednotlivých skenů:
- Spojování pomocí identických bodů (transformace MNČ).
24
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Spojování jednotlivých skenů:
- Spojování skenů na základě překrytu
(ICP Algoritmus, Iterative Closest Point Algorithm).
1. Pro každý bod se nalezne nejbližší bod z druhé množiny.
2. Vypočítá se transformační klíč bodů na určené nejbližší body.
3. Body se přetransformují na takto určenou pozici.
4. Postup se opakuje do ustálení.
Vlastnosti:
- ne vždy konverguje, nutný členitý a nepravidelný povrch,
- kvalita výsledku je nižší než u identických bodů (záleží zejména
na rozestupu bodů).
25
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Úpravy mračen bodů:
- Redukce dat,
- odstraňování nadbytečných bodů - > sjednocení hustoty
bodů,
- Čištění
- Odstraňování chybně zaměřených nebo zbytečných bodů,
- Vyhlazování
- odstraňování šumu speciálními postupy – průměrování
buněk, prokládání malého okolí bodu rovinou apod.,
- Zahušťování
- Doplnění na základě fotografií – promítnutí bodů na
existující plochu.
26
4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Zpracování dat
- spojené a upravené mračno bodů
- aproximace objektů plochami (rovina, koule, válec, atd. …),
- modelování s využitím mnoha plošek
- trojúhelníkové sítě (TIN, Triangular Irregular Network),
- aproximace plochami s proměnlivou křivostí (např. Bspline).
Vizualizace
- přiřazení barev, textur, skutečných barev,
- vytváření prezentací, animací, průletů a pod.
27
5. Kinematické 3D skenování – odlišnosti a vlastnosti.
U terestrického skenování je stanovisko a orientace stabilní, u
kinematického se měří za pohybu s proměnlivým natočením, tj.
každý bod má odlišné stanovisko a orientaci.
- Skener je doplněn dalšími senzory (podobně jako u letecké
fotogrammetrie), obvykle:
-
GNSS přijímače,
inerciální navigační systém,
časová synchronizace jednotlivých údajů,
(odometr, kamery).
28
5. Kinematické 3D skenování – odlišnosti a vlastnosti.
29
5. Kinematické 3D skenování – odlišnosti a vlastnosti.
Rychlost letu:
36 – 130 km/h
Výška letu:
60 – 960 m
Šířka záběru: = 2d
20 – 680m
d = 0,25 – 4,00 m
Stopa svazku
(0,1 – 3,8m)
30
5. Kinematické 3d skenování – odlišnosti a vlastnosti.
31
6. Vybrané existující systémy.
Skenerů pro oblast zeměměřictví je na současném trhu mnoho,
např. firmy:
-
Riegl,
Leica,
Trimble,
Faro,
Topcon,
Callidus,
Optech,
Gom,
Ke skenování lze využít i motorizované totální stanice s příslušným
programem, je to ale velmi pomalé, cca 15 b/s. Dnes už existuje
totální stanice s podstatně vyšší rychlostí měření (1000 b/s)
32
6. Vybrané existující systémy.
Další systémy:
Callidus CT 900
33
6. Vybrané existující systémy.
Další systémy:
Cavity Autoscanning Laser System
34
6. Vybrané existující systémy.
Další systémy:
Handyscan
35
7. Podstatné parametry 3D skenovacích systémů.
- Přesnosti měření délky, vodorovného směru a svislého úhlu.
- Dosah – pozor na definovanou odrazivost cíle.
- Minimální rozestup bodů (maximální hustota).
- Velikost stopy.
- Rychlost měření.
- Operační podmínky (teplota, vlhkost, výbušné prostředí).
- Bezpečnostní třída použitého laseru.
- Softwarové vybavení.
36
8. Aplikace terestrických systémů.
-
Zaměřování složitých technologických celků a konstrukcí.
Zaměřování reálného stavu stavebních konstrukcí.
Dopravní stavby.
Topografické mapování terénních útvarů.
Měření v podzemních prostorách.
Dokumentace památek v oblasti architektury a archeologie.
atd.
37
Děkuji za pozornost…
38