Трехмерные сканирующие системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Кафедра Систем Управления и Информатики

РЕФЕРАТ

на тему: «3-d сканирующие системы»

по дисциплине: «Электромеханические системы»

Выполнил Леоновец С.А.

Проверил Сударчиков С.А.

Санкт-Петербург, 2013г.

Содержание

Введение

1. Принцип действия и области применения

2. Конструктивные особенности и основные характеристики

3. Состав оборудования

4. Примеры отечественных и зарубежных аналогов

Список используемых источников

Введение

В настоящее время для решения строительных и архитектурных задач широко используется тахеометрическая съемка, которая позволяет получить координаты объектов, а затем представить их в графическом виде. Тахеометрическая съемка позволяет проводить измерения с точностью до нескольких миллиметров, при этом скорость измерения тахеометра не более 2 измерений в секунду. Такой метод эффективен при съемке разреженной, незагруженной объектами площади. Очевидными недостатками такой технологии являются малая скорость проведения измерений, и неэффективность съемки загруженных площадей, таких как фасады зданий, заводов с площадь превышающей 2 га, а так же малая плотность точек на 1м2. Одним из возможных способов решения данных проблем является применение новых современных технологий исследования, а именно лазерного сканирования.

Лазерное сканирование - технология, позволяющая создать цифровую трехмерную модель объекта, представив его набором точек с пространственными координатами. Технология основана на использовании новых геодезических приборов - лазерных сканеров, измеряющих координаты точек поверхности объекта с высокой скоростью порядка нескольких десятков тысяч точек в секунду. Полученный набор точек называется «облаком точек» и впоследствии может быть представлен в виде трехмерной модели объекта, плоского чертежа, набора сечений, поверхности и т.д.

Более полную цифровую картину невозможно представить никаким другим из известных способов. Процесс съемки полностью автоматизирован, а участие оператора сводится лишь к подготовке сканера к работе. Часть информации взято с ru.wikipedia.org.

1. Принцип действия и область применения

Сканирующая система Leica Scan Station 2 позволяет проводить высокоточные измерения объектов любой сложности (с погрешностью до 2 мм) за минимальное время, на выходе получаем данные в виде «облаков точек» или другими словами трехмерную модель объекта в виде «облаков точек», что значительно облегчает работу по созданию обмерных чертежей и планов.

В основе технологии трехмерного лазерного сканирования лежит метод определения множества трехмерных координат X, Y, Z отдельных точек на снимаемом объекте. Измерения выполняются с помощью высокоскоростного лазерного дальномера. Для перехода на следующий узел мнимой сетки луч лазерного дальномера после каждого замера разворачивается системой зеркал на некоторый заданный угол. Повышение плотности узлов в этой сетке увеличивает количество снятых точек и детализирует съемку.

Дальномер имеет высокую скорость измерений - от нескольких сотен до десятков тысяч операций в секунду. Координаты точек, полученные в результате сканирования объекта, объединяются в большие группы точек (от сотен до миллионов), называемые на практике облаками точек.

Самые распространенные сегодня модели лазерных сканеров используют импульсный лазерный дальномер. Отклонение лазерного луча в вертикальном направлении осуществляется шаговым электромотором с закрепленным на нем зеркалом. В горизонтальном направлении луч лазера отклоняется путем вращения самого сканера. Такая схема позволяет охватить все окружающее сканер пространство. Например, в лазерном сканере Leica Scan Station поле зрения составляет 3600 по горизонтали и 2700 по вертикали. Угловая точность шаговых электромоторов, управляющих вращением сканера и зеркала, наряду с точностью лазерного безотражательного дальномера, являются важной составляющей точности получаемых координат точек.

Определив дальномером расстояние и зная угол отклонения лазерного луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях, можно получить трехмерные координаты каждой точки. Они будут находиться в системе координат сканера.

С помощью дополнительных операций и специализированного программного обеспечения можно будет привязать полученное облако точек к любой требуемой системе координат.

Многие модели наземных лазерных сканеров обладают встроенной цифровой фотокамерой.

С ее помощью можно выполнить фотосъемку окружения прибора. Получив панорамную фотографию объекта, пользователь сможет взять из нее только то, что требуется, избежав сканирования лишних фрагментов и, следовательно, потерь рабочего времени.

Как и в любой современной технологии, важную роль в этой играет компьютер. Он служит управляющим и запоминающим устройством для лазерного сканера. Подключившись к нему с помощью кабеля, мы можем выбирать на экране область сканирования, задавать нужную плотность съемки, производить фотосъемку объекта, задавать координаты точки стояния сканера, отслеживать текущее состояние процесса сканирования, управлять сохранением результатов.

Технология съемки с применением лазерного сканера зависит от геометрии и типа снимаемого объекта. Для достижения результата иногда приходится многократно переставлять сканер с точки на точку, выполняя съемку отдельных деталей и фрагментов. Причина - наличие мертвых зон , возникающих из-за различных обстоятельств. Поэтому нередко возникает необходимость привести отснятый материал к единой системе координат. Для этого во время съемки на объекте или рядом с ним устанавливаются марки, с помощью которых производится объединение облаков точек , полученных с различных точек сканирования. Для пространственной трансформации облаков требуется, как минимум, три марки на каждую точку установки сканера. Эти три точки с марками должны быть видны со смежных точек. Сам процесс объединения облаков точек выполняется в специализированном программном обеспечении.

Сканирование не является конечной целью работы, это лишь один из методов достижения необходимого результата. Здесь важно заранее определить, нужна ли трехмерная модель объекта или же достаточно составления чертежа - от этого будет зависеть плотность получаемых точек и, как следствие, время на сканирование. При необходимости детального описания объекта мы получаем большой массив данных в виде облаков точек. Следующий этап работы - выделение из полученного набора данных той информации, на основании интерпретации которой мы придем к конечному результату. Это может быть, допустим, разрез объекта в нужной плоскости или его трехмерная модель с использованием набора графических элементов. На экране достаточно просто измерить расстояние там, куда невозможно отправить человека с рулеткой, а также составить чертеж по результатам сканирования. В рамках специального программного обеспечения можно создавать анимацию с облетом полученных облаков точек трехмерной модели. При этом необходимо учитывать, что огромные массивы данных, состоящих из десятков миллионов точек, занимающие гигабайты на накопителях, предъявляют повышенные требования к быстродействию компьютеров и емкости накопителей информации.

В большинстве конструкций сканеров используется импульсный лазерный дальномер. На пути к объекту импульсы лазерного излучения проходят через систему зеркал, которые осуществляют пошаговое отклонение лазерного луча. Наиболее распространенной является конструкция, состоящая из двух подвижных зеркал. Одно из них отвечает за вертикальное смещение луча, другое - за горизонтальное. Зеркала сканера управляются прецизионными сервомоторами, в конечном итоге, они и обеспечивают точность направления луча лазера на снимаемый объект. Зная угол разворота зеркал в момент наблюдения и измеренное расстояние, процессор вычисляет координаты каждой точки.

Все управление работой прибора осуществляется с помощью портативного компьютера со специальными программами. Полученные значения координат точек из сканера передаются в компьютер по интерфейсному кабелю и накапливаются в специальной базе данных. Сканер имеет определенную область обзора или, другими словами, поле зрения.

Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты происходит либо с помощью встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного разряженного сканирования. Изображение, получаемое цифровой камерой, передается на экран компьютера, и оператор осуществляет визуальный контроль ориентирования прибора. Сканирование может производиться как сразу всего поля зрения, так и лишь какой-то его части. Поэтому фотоизображение может быть использовано для выделения из общей картины нужных локальных областей.

Работа по сканированию часто происходить в несколько сеансов, во-первых, из-за ограниченного поля зрения, во-вторых, из-за формы объектов, когда все поверхности просто не видны с одной точки наблюдения. Самый простой пример - четыре стены здания. Полученные с каждой точки стояния сканы совмещаются в единое пространство в специальном программном модуле. Для обеспечения процесса совмещения еще на стадии полевых работ необходимо предусмотреть получение сканов с зонами взаимного перекрытия. При этом перед началом сканирования в этих зонах нужно разместить специальные мишени. Это является весьма существенным моментом при планировании работ. По координатам этих мишеней и будет происходить процесс "сшивки". Можно совместить облака точек без специальных мишеней, используя лишь характерные точки снимаемого объекта, которые должны легко опознаваться на сканах, но при этом, чаще всего, неизбежны потери точности. Часть информации взято с www.cadmaster.ru.

2. Конструктивные особенности и основные характеристики

Сканирующая система Leica Scan Station 2.

Сканирующее устройство имеет подвижную часть и неподвижную. На подвижной части прибор имеет два рабочих окна, фронтальное и верхнее, видимая область этих окон называется полем зрения прибора. Сканируемая область сканера 3600 по горизонтали и 2700 по вертикали.

На неподвижной части находятся индикаторы «готовности» и три входа: два под аккумуляторы, один под Ethernet - подключение. Внутри сканера установлена система зеркал, управляемых специальными двигателями, которые направляют сканирующий лазер под нужным углом сканирования.

Таблица 1 - технические характеристики сканирующей системы

3. Состав оборудования

трехмерный лазерный сканирование технология

В состав сканирующей системы входит: транспортный ящик, трегер, штатив, Ethernet-кабель связи сканера с компьютером, кейс с принадлежностями (аккумулятор, кабель соединения сканера и аккумулятора, зарядное устройство), программное обеспечение Cyclone 6.0.

4. Примеры отечественных и зарубежных аналогов

Зарубежные системы:

Примеры сканирующих систем представлены в таблицах 2-4, данные взяты с интернет ресурса http://www.metricageo.ru.

Таблица 2 - технические характеристики Trimble CX

Таблица 3 - технические характеристики Trimble FX

Таблица 4 - технические характеристики Riegl VZ400

Российские системы:

Существуют отечественные аналоги зарубежных сканирующих систем, они приведены в таблице 5. Данные взяты с интернет ресурса http://www.kami-enisey.ru/unit/212/trekhmernyy-skaner-optiscan-3d.

Таблица 5 - технические характеристики Сканирующих систем Optiscan 3D

Список используемых источников

1. http://ru.wikipedia.org - свободная интернет-энциклопедия.

2. http://www.kami-enisey.ru/unit/212/trekhmernyy-skaner-optiscan-3d - интернет-магазин.

3.http://www.metricageo.ru/catalog/lazernye_skaniruyuschie_sistemy/riegl/3d_skaner_riegl_vz400 - интернет-магазин.

4. http://www.cadmaster.ru/magazin/articles/cm_01_modeller_2000.html - статья, посвященная сканирующим системам.

5. Рекомендации по оформлению выпускных квалификационных работ, научно-исследовательских работ студентов, курсовых проектов, рефератов, учебных пособий. НИУ ИТМО. 2009г.

Размещено на Allbest.ru