Scanare Laser 3d
Capitolul 1
1.1 Introducere
LASER-ul (Light Amplification by Stimulated Emissions of Radiation) reprezintă un dispozitiv optic ce generează un fascicol coerent de lumină. Acesta are mai multe proprietăți ce îl diferențiază de lumina incoerentă, printre care putem aminti monocromaticitatea (spectru foarte îngust de lungimi de undă), direcționalitatea (propagarea pe distanțe foarte mari cu o divergență mică) și intensitatea (unii laseri sunt suficienți de puternici pentru a tăia metalele).
În Geodezie, tehnologia LASER-ului a fost adoptată pentru instrumentele moderne de măsurare a distanțelor terestre (senzori interferometrici) dar și în geodezia cu sateliți, unde fasciculul laser este utilizat pentru măsurarea distanței satelit-receptor.
În termenii moderni ai ingineriei, „scanarea laser” are două semnificații relative dar intrinsece. Prima, folosită într-un sens mai general, se referă la controlarea unui fascicul laser constituit din lumină din spectrul vizibil sau infraroșu, folosit pentru scanarea digitală a documentelor sau chiar a codurilor de bară de pe ambalajele produselor, dar și în viața de zi cu zi, în special la aparatele de stocare optică pentru unitățile de compact disc (CD) sau de disc video digital (DVD). În cazul aparatelor de stocare optică, laserul scanează suprafața discului și colectează informații în codul binar (0 și 1).
A doua semnificație se referă la direcționarea fasciculului de laser și măsurarea distanței pentru fiecare direcție. Această metodă se mai numește și Scanarea 3D a unui obiect sau, mai simplu,Scanarea laser 3D și este folosită pentru obținerea rapidă a formei unui obiect, construcții sau a terenului.
Avantajul unei scanări laser este faptul că se poate înregistra un număr mare de puncte cu o precizie ridicată într-o perioadă scurtă de timp. Practic, putem spune că se face o fotografie a obiectului cu informații despre adâncime.
Numim un Scaner Laser Terestru 3D un dispozitiv capabil să măsoare caracteristicile topografice prezente pe pământ și al mediului care înconjoară punctul fix pe care e montat instrumentul. Aceasta se realizează prin măsurarea simultană a distanței emițător-obiect și asociat cu măsurarea unui unghi vertical și orizontal față de un plan vertical – respectiv orizontal – care trec prin centrul instrumentului.
1.1.1 Scurt istoric
Prima tehnologie de scanare 3D datează încă din anii 60, dar aplicațiile acestora în domeniul ingineriei au început abia în anii 90 când firma „Cyra Technologies” a realizat primul scaner. Ulterior, în anul 2001 firma „Cyra Technologies” a fost cumpărată de „Leica Geosystems”, liderul actual în domeniul scanărilor terestre.
Scanările terestre s-au numărat printre tehnologiile care nu au putut să evolueze din cauza costurilor foarte ridicate de stocare a datelor. În prezent, datele obținute în urma scanării (norul de puncte) sunt stocate pe mai multe unități hard-disk externe datorită volumului mare de informație. Această tehnologie a evoluat precum tehnologia GPS (Global Positioning System), în sensul că inițial doar un grup restrâns de utilizatori o puteau folosi. În prezent tehnologia GPS incorporează milioane de dispozitive, inclusiv telefoane, calculatoare și sisteme de navigație. Acum scanările 3D sunt folosite de ingineri și arhitecți iar în curând va face parte din viața cotidiană. Un bun exemplu este consola pentru jocuri video „Xbox Kinnect” unde forma și mișcarea jucătorul este scanată în timp real, creând astfel o realitate virtuală.
1.2 Aplicații. Domeniul de utilizare
La debutul acestei tehnologii, scanarea laser avea o rază de acțiune scurtă și era folosită în special în industria constructoare de mașini. Odată cu evoluția acesteia, scanările laser au ajutat la dezvoltarea industriei petrochimice. Datorită complexității sitului, scanările laser au permis trecerea de la reprezentări bidimensionale la un model 3D complet.
Combinând avantajele scanării laser – precum măsurarea fără a fi necesar un contact direct, precizia înaltă, distanța mare de acțiune și achiziția rapidă a informațiilor– alte domenii precum arhitectura, dezvoltarea urbană, domeniul judiciar au început să adopte această tehnologie. În funcție de lungimea razei de acțiune, domeniul de utilizare poate fi împărțit în:
Tabel 1.1 – Aplicațiile scanărilor laser în funcție de distanța de scanare
Gerald F. Marshall Handbook of Optical and Laser Scanning, Marcel Dekker, Inc., 2004, ISBN 0-8247-5569-3
Tehnologia LIDAR (Light Detection And Ranging) folosește același principiu ca al scanărilor 3D dar e folosit cu precădere pentru crearea hărților cu rezoluție mare, cu aplicații în geomatică, arheologie, geografie, geomorfologie etc.
Un domeniu relativ nou în care se aplică scanările laser cu rază scurtă de acțiune îl constituie printurile 3D. Acesta reprezintă un proces de fabricare a unui obiect solid tridimensional prin depunerea mai multor straturi succesive de material după un model 3D al obiectului, obținut în urma unei scanări laser a prototipului.
1.3 Principiul de funcționare
1.3.1 Tehnologia LASER
Așa cum am arătat, un aparat laser generează o undă de lumină cu o divergență scăzută, folosind o bandă îngustă din spectrul vizibil. Lungimea de undă a laserului este bine definită și corespunde unui anumite culori dacă aparatul funcționează în spectrul vizibil. În contrast cu o sursă de lumină oarecare, laserul nu emite într-un unghi deschis și în afara spectrului de undă pentru care a fost construit. Această proprietate se numește coerență.
Din punct de vedere al modului de funcționare, laserele sunt asemănătoare cu tranzistorii deoarece și ele generează și amplifică semnalele electrice.
În prezent, tehnologia laser e prezentă în viața cotidiană de la simplul laser de buzunar folosit drept pointer până la unitățile optice de stocare CD-uri și DVD-uri;sunt folosite și în industrie pentru a tăia metale sau pentru a inscripționa pe ele, dar și în medicină.
1.3.1.1 Proprietățile laserului
Lumina generată de un dispozitiv laser se diferențiază de lumina provenită din alte surse prin niște proprietăți aparte printre care putem aminti:
– coerența: se referă la faptul ca semnalul electric de-a lungul razei oscilează cu o relație rigidă a fazei permițând astfel propagarea pe distanțe lungi și focalizarea în puncte de mici dimensiuni
– direcționalitatea: lumina emisă de un dispozitiv laser are un grad înalt de coerență spațială, adică se propagă dominant într-o direcție bine definită cu o divergență mică a razei;
– monocromaticitatea: razele laser din spectrul vizibil au o singură culoare pură (culoare cu grad maxim de saturație). Sistemele de măsurat folosesc de regulă lasere cu o lungime de undă de 532 nm (verde) sau 1064 nm (infraroșu apropriat);
– intensitatea: în funcție de aplicația pentru care a fost construit, puterea transportată de fascicul poate fi diferită. Diodele laser folosite pentru citirea CD-urilor pot avea putere de 5 mW, pe când laserii bazați pe CO2, folosiți în aplicații industriale, au între 100 W și 6000 W, aceștia din urmă fiind folosiți în industrie pentru tăierea metalelor.
Figura 1.1 – Intensitatea unui laser pe bază de Heliu – Neon
Sursă www.wikipedia.com – http://en.wikipedia.org/wiki/Laser#mediaviewer/File:Helium_neon_laser_spectrum.svg
1.3.1.2. Clasificarea laserelor
În funcție de lungimea de undă și de puterea lor, în anii 1970 laserele au fost clasificate în patru clase și câteva subclase. Clasificarea s-a făcut în funcție de puterea lor de a produce daune unui om în urma expunerii, de la clasa 1 (niciun risc în timpul utilizării) la clasa 4 (risc ridicat pentru leziuni la nivelul ochilor și pielii).
Clasa 1: un laser de clasa 1 e considerat sigur din toate punctele de vedere, ceea ce înseamnă că Expunerea Maximă Permisibilă (EMP) nu poate fi depășită în momentul în care utilizatorul observă raza laser cu ochiul liber sau printr-un dispozitiv optic (microscop sau telescop).
Clasa 1M: conține laserele care sunt considerate sigure exceptând cazul în care acesta trece prin sisteme optice de mărire precum microscoapele sau telescoapele.
Clasa 2: un laser de clasa 2 e considerat relativ sigur deoarece expunerea ochiului liber fasciculului va provoca reflexul involuntar de a clipi, ceea ce duce la o expunere de doar 0,25 de secunde. O expunere care depășește 4-5 secunde ar putea duce la leziuni la nivelul ochilor dacă fasciculul laser se încadrează în spectrul vizibil al undelor electromagnetice. Majoritatea sistemelor de măsurare și laser pointeri aparțin clasei 2.
Puterea laserelor din clasa 2 sunt limitate de la 1 mW pentru emisie continuă până la 1,5 mW pentru emisii la intervale de 0,25 secunde.
Clasa 2M: la fel ca laserele din clasa 2, acestea sunt considerate relativ sigure deoarece expunerea va cauza reflexul natural de a clipi, exceptând cazul când observarea se face printr-un dispozitiv optic (microscop sau telescop).
Clasa 3R: la aceste lasere Expunerea Maximă Permisibilă (EMP) poate fi depășită dar cu un risc relativ scăzut de leziune. Acesta e considerat inofensiv dacă vizualizarea fasciculului laser este limitată.
De regulă, aceste lasere sunt limitate la o putere de 5 mW pentru emisii continue iar pentru emisii la intervale regulate, această valoare poate fi mai mare
Clasa 3B: laserul din această clasă e considerat periculos dacă ochiul e expus direct, de aceea precauții precum vizualizarea prin reflexie difuză e recomandată. Este folosit la unitățile optice de înregistrare CD sau DVD iar datorită faptului că fasciculul laser nu poate ieși din unitate, este considerat clasa 1.
Clasa 4: laserele din clasa 4 sunt considerate cele mai periculoase deoarece pot arde pielea și pot provoca leziuni permanente la nivelul ochilor prin contact direct sau vizualizare prin reflexie difuză sau indirectă. Acestea pot aprinde materialele combustibile și tăia metalele. Sunt folosite în industrie, armată și în medicină.
1.4 Măsurarea distanțelor folosind tehnologia Laser
Un telemetru laser reprezintă un dispozitiv care determină distanța până la un obiect folosind un fascicul laser. Metodele prin care se realizează aceasta se împart în pasive și active, acestea împărțindu-se la rândul lor se în mai multe subcategorii conform figurii de mai jos:
Figura 1.2 – Clasificarea metodelor de măsurare utilizând lumina
1. Tehnici pasive
Scanerele pasive nu emit radiați ci detectează radiația reflectată din mediul înconjurător (lumina vizibilă sau radiațiile din domeniul infraroșu). Aceste scanere sunt de regulă mai ieftine deoarece nu necesită echipamente digitale sofisticate ci doar o cameră foto digitală.
Tehnicile pasive se bazează pe găsirea unei corespondențe între imaginile 2D care, din păcate, nu are o soluție unică de fiecare dată. Precizia acestor metode depinde mult de rezoluția sistemului care preia imaginea dar și de densitatea trăsăturilor identificabile în imagine.
2. Tehnicile active
În această lucrare, atenția va fi îndreptată mai mult pe tehnica de măsurare activă. Scanerele active emit un tip de radiații controlate, detectează reflecția acestora și analizează informațiile în vederea sondării unui obiect sau al mediului înconjurător.
Din punct de vedere mecanic, tehnicile active sunt mult mai complexe, incluzând un transmițător și un receptor laser, dar și un microchip de analizare a informațiilor obținute. Avantajele majore ale acestor sisteme sunt:
– furnizează măsurători într-un mod automatizat;
– puterea de colectare a informațiilor este rapidă;
– nu necesită alte surse de lumină deoarece își generează propria radiație.
Dezavantajul la aceste sisteme ar fi că sunt afectate de surse de lumină externe, culoare și reflectativitate.
1.4.1 Principiul triangulației
Încă din antichitate, triunghiurile au fost folosite la măsurători geodezice de bază în Grecia. Baza matematică a triunghiului – trigonometria – a fost descoperită de filosoful grec Thales (secolul VI î.e.n.).
Principiul triangulației reprezintă o metodă de măsurare precisă a distanței folosind senzori de triangulație laser. Această denumire reiese din faptul că raza laser emisă și cea reflectată formează împreună cu baza un triunghi.
Pentru a înțelege mai bine metodele ce urmează, voi reaminti relațiile trigonometrice fundamentale (Figura 1.3).
Imaginea 1.3 – Relațiile trigonometrice fundamentale
Privind principiul triangulației de măsurare a distanței, avem mai multe metode de realizare a acesteia:
1. Soluția cu o singură cameră
La această metodă, fascicolul laser este emis de instrument și apoi reflectat de pe suprafața obiectului spre o lentilă colectoare aflată la o distanță b cunoscută față de emițător. Scopul lentilei este să focalizeze imaginea spotului laser reflectat pentru a fi detectat și colectat de o cameră video cu senzor CCD (Charged Coupled Device). Camera are un domeniu de măsurare, cuprins între 45o și 65o față de centrul de măsurare, în funcție de modelul aparatului. Poziția spotului pe pixelii camerei este recepționată și apoi procesată în vederea determinării distanței până la obiect (Figura 1.4).
O analiză a figurii relevă faptul că distanța dintre emițător și cameră – care totodată reprezintă o latură a triunghiului – este cunoscută (D). Unghiul fascicolului laser emis, notat cu β, și unghiul camerei, notat cu α, sunt cunoscute de la calibrare.
Distanța instrument – obiect, notată cu D, este determinată geometric din lungimea bazei (b) și unghiurile α și β cu relația:
Dacă baza b este mai mare, atunci apar mai puține erori în coordonatele în pixeli în estimarea adâncimii. Totuși, baza nu poate fi prea mare deoarece, în acest caz, sursa laser și camera ar avea un câmp de vedere mult mai redus și pata laserului poate să nu fie surprinsă în imaginea camerei.
Imaginea 1.4 – Principiul triangulației. Soluția cu o singură cameră
Pentru a descrește incertitudinea în ceea ce privește adâncimea putem să:
– creștem baza b;
– descreștem distanța de la obiect la scaner;
– creștem lungimea focală a lentilei.
2. Soluția cu cameră dublă
O soluție alternativă bazată pe același principiu constă în utilizarea a două camere CCD situate la capetele bazei. Spotul laser detectat va fi generat de o sursă separată care nu are nicio funcție de măsurare (Figura 1.5).
Figura 1.5 – Principiul triangulației. Soluția cu două camere
Soluția este identică cu cea din cazul precedent, deci rămân aceleași caracteristici de precizie.
Nu toți senzorii ce utilizează acest principiu oferă posibilitatea unei rate înalte de măsurare și de livrare a coordonatelor 3D în timp real. Dacă acestea îndeplinesc două condiții– număr mare de puncte măsurate și de procesare în timp real – atunci aceste instrumente pot fi considerate o alternativă pentru scanerele laser 3D.
Datorită imposibilității de utilizare a unei baze de măsurare mai mare, scanerele ce utilizează principiul triangulației sunt folosiți pentru aplicații în care distanța este mai mică de 10-20m, adică domeniul foarte apropriat.
Cu toate acestea, față de sistemele de scanare care se bazează pe principiul măsurării diferenței de fază sau a timpului, procedeul triangulației oferă precizii foarte mari de determinare a pozițiilor spațiale ale punctelor, de domeniul micronilor.
1.4.2 Principiul măsurării timpului
Scanerele care folosesc acest principiu sunt scanere active care măsoară timpul scurs dintre două evenimente. Practic, sunt două metode care se bazează pe acest principiu: principiul pulsului și principiul fazei.
1. Principiul pulsului
În literatura de specialitate mai este întâlnit și sub denumirea de time-of-flight sau laser pulsed.
Știind că undele electromagnetice se propagă cu o viteză constantă într-un anumit mediu, putem măsura timpul necesar ca unda să parcurgă distanța emițător-obiect și înapoi pentru a calcula distanța dintre emițător și obiect. O diodă emite un impuls laser cu o anumită frecvență către un obiect din teren. Această undă este reflectată difuz de pe suprafața obiectului și o parte din ea se întoarce la receptor. Pentru fiecare impuls este măsurat timpul scurs între emitere și recepție (Figura 1.6).
Figura 1.6 – Principiul scanerului bazat pe pulsuri
Sursă: 3D Risk Mapping http://www.3driskmapping.org/site/
Combinând măsurătorile unghiulare și măsurătorile de distanțe folosind acest procedeu, se pot determina poziții 3D a punctului de intersecție dintre suprafața obiectului și raza laser.
Privind modul de lucru la măsurarea distanțelor, după cum am precizat, acest principiu nu aplică utilizarea unui raze laser continue, ci fac uz de impulsuri. Practic, un generator de puls electric acționează asupra unei diode laser; aceasta emite impulsuri de lumină care sunt focalizate prin intermediul unei lentile. După ce impulsul este generat și reflectat de către obiect, semnalul e recepționat de o fotodiodă care generează un semnal electric. Intervalul de timp scurs între transmiterea și recepția pulsațiilor este contorizat de un stabilizator de frecvență cu quarț.
Distanța e calculată de către microprocesorul intern ca o funcție de timp și viteza luminii în vid cu formula:
unde:
D – distanța;
t – timpul contorizat pe traseul dus-întors;
c0 – viteza luminii în vid.
Valoarea oficială a vitezei luminii în vid este de 299.792.458 m/s. Această viteză e puternic influențată de mediul în care se propagă, deci pentru undele de lumină ce călătoresc în aer li se aplică o corecție egală cu indicele de refracție.
Avantajul primar al acestui principiu e dat de concentrația înaltă a puterii razei laser transmise. Acest lucru e evidențiat de obținerea raportului semnal-zgomot (SNR) solicitat pentru măsurătorile de precizie înaltă pe domenii de măsurare mari. Printre alte avantaje putem enumera:
– mărime redusă;
– risc redus de interferențe;
– precizie ridicată;
– fiabilitate sporită;
– domeniu mare de măsurare;
– culegere rapidă a datelor (între 2000 și 50000 puncte/s);
– raza laser puternic colimată;
– raport performanță/cost bun.
În schimb, dezavantajele acestui principiu e dat de reducerea razei de acțiune cauzată de strălucirea puternică a luminii zilei, praful sau murdăria pe lentile sau de vizibilitatea proastă.
2. Principiul măsurării diferenței de fază
Cunoscut în literatura de specialitate sub denumirea de phase sau phase difference, această metodă se aplică foarte des și la stațiile totale.
Față de metoda prezentată anterior, aceasta analizează mai detaliat semnalul receptat, rezultând un grad mai mare de precizie. Distanța receptor-obiect este determinată în funcție de diferența de fază dintre semnalul emis și cel receptat.
Diferența de fază este datorată unei întârzieri de timp similară cu cea de la scanerele bazate pe puls. Scanerele bazate pe diferența de fază dispun de un interval maxim non-ambiguu. În cazul acestor sisteme, intervalul non-ambiguu este limitat la cel care cauzează o întârziere de fază la o undă echivalentă cu un ciclu complet. Pentru a evita acest inconvenient se folosește o undă de frecvență multiplă; mai întâi o undă cu frecvență joasă (lungime de undă lungă) de unde rezultă o distanță cu o precizie scăzută, apoi alta cu o frecvență înaltă rezultând o măsurătoare precisă. Scanerele laser folosesc 2 sau chiar 3 lungimi de undă diferite suprapuse. Unda cu lungimea de undă cea mai mare definește unicitatea registrului iar cea cu lungimea de undă cea mai mică definește precizia cu care distanța poate fi obținută. General vorbind, scanerele bazate pe diferența de fază au viteze și rezoluții mari dar o precizie mai redusă comparativ cu scanerele bazate pe principiul măsurării timpului.
Imaginea 1.7 – Principiul diferenței de fază
Sursă: 3D Risk Mapping http://www.3driskmapping.org/site/
Acuratețea scanerului bazat pe diferenței de fază este limitat de:
– stabilitatea oscilatorului de modulație;
– frecvența semnalului sau a modulației;
– turbulența din aer prin care se face măsurătoarea;
– variațiile indicelui de refracție a aerului.
Combinând distanța rezultată cu măsurătorile de unghiuri rezultă posibilitatea de determinare 3D a poziției punctului de intersecție dintre raza laser și suprafața obiectului.
3. Principiul interferometriei
Prin definiție, interferometria contorizarea schimbului intensității luminii unui fascicul laser față de un fascicul de referință pentru a deduce distanța. Interferometria este utilizată încă din secolul al XIX-lea unde, datorită intensității și coerenței limitate ale surselor de lumină convenționale, raza lor de acțiune se limitau la doar câțiva centimetri. Apariția tehnicii laser a eliminat aceste restricții și a permis dezvoltarea interferometriei ca tehnică de măsurare optică de înaltă precizie.
Față de metodele telemetrice (time-of-flight), măsurătorile interferometrice se disting prin gradul mult mai ridicat de precizie, dar este de preferat ca măsurătorile să se efectueze în medii atmosferice controlabile (spre exemplu în spații închise) iar distanțele de măsurat să nu depășească ordinul zecilor de metri.
Într-un scaner laser bazat pe interferometrie raza laser este deviată folosind un divizor de raze care reflectă jumătate într-o direcție și transmite cealaltă jumătate spre brațul de măsurare. Ambele părți ale razei parcurg două căi diferite și apoi sunt combinate producând zone de interferență numite franje de interferență. Astfel, pot fi detectate deplasări foarte mici (de ordinul fracțiunilor de lungimi de undă) dar și distanțe mai mari, contorizând lungimilor de undă.
Avantajul primar al acestui sistem este precizia foarte ridicată a măsurării distanțelor dar, pe de altă parte, sunt foarte costisitoare.
1.5 Tipuri de scanări
Tehnologia modernă de scanare e clasificată în două categorii: scanare statică și scanare dinamică.
Scanarea laser statică se referă la cazul în care scanerul este instalat într-o poziție fixă pe durata achiziționării datelor. Printre avantajele oferite de această metodă putem enumera precizia ridicată a rezultatelor și densitatea relativ mare a punctelor. În această categorie intră și scanările laser terestre deși nu toate scanările de suprafață intră în categoria scanărilor laser statice.
În cazul scanării laser dinamice scanerul este montat pe o platformă mobilă (un avion – scanare laser aeriene sau un vehicul aflat în mișcare). Aceste sisteme sunt mult mai complexe și costisitoare și necesită sisteme de poziționare suplimentare cum ar fi INS (Inertian Navigation Sistem – Sistem de Navigație Inerțial) sau GPS (Global Positioning Sistem – Sistem de Poziționare Globală). În această categorie intră și sistemul de scanare LIDAR.
Scanerele laser 3D fac parte din prima categorie și de aceea ne vom îndrepta atenția spre scanarea laser statică.
1.6 Schița generală de funcționare
Capacitatea unui scaner laser terestru de a înregistra punctele tridimensional este dată de capacitatea de măsurare a unghiurilor orizontale și verticale precum și a distanței spațiale spre fiecare punct. Distanța se determină electro-optic și, în funcție de firma constructoare, fie prin procedeul impulsurilor fie prin procedeul diferenței de fază.
Observăm ca până în momentul de față, un instrument topografic modern (stație totală) și un Scaner laser terestru au în comun principiul de măsurare a distanței. Dacă primul folosește o lunetă pentru a fixa punctul ce urmează a fi măsurat și această acționează niște cercuri gradate pentru măsurarea unghiurilor orizontale și verticale, în cazul Scanerului laser terestru luneta e înlocuită cu fasciculul laser iar cercurile gradate cu un sistem de deviere a fasciculului.
Sistemul de deviere utilizează o oglindă deoarece este ușoară și poate fi rotită cu precizie ridicată. Sunt prezente mai multe metode prin care raza laser e deviată spre o anumită direcție fără a fi nevoie de deplasarea scanerului în sine. Cele mai utilizate trei metode concepute pentru acest scop sunt:
1. Utilizarea unei oglinzi plane de oscilație care permite circulația laserului de-a lungul unei linii (Figura 1.8). O combinație de două oglinzi ar permite devierea razei în două direcții.
Figura 1.8 – Devierea folosind oglinzi plane
2. Utilizând o prismă optică de rotație reflectorizantă numită și „poligon rotativ” (Figura 1.9). Acest procedeu mărește viteza de deviere deoarece, față de prima metodă, rotirea acestuia înapoi nu mai e necesară, având doar o singură direcție de rotație.
Figura 1.9 – Devierea folosind poligonul rotativ
Sursă: 3D Risk Mapping http://www.3driskmapping.org/site/
3. Utilizând tehnologia fibrei optice. Aceste sisteme deviază raza laser într-un cerc de fibre optice printr-o oglindă de rotație (Figura 1.10). Fibrele optice transportă apoi raza în direcția dorită.
Figura 1.10 – Devierea folosind fibre optice
Sursă: 3D Risk Mapping http://www.3driskmapping.org/site/
Această metodă are următoarele avantaje:
– rata impulsului laser nu este legată de unghiul de vizualizare;
– nu este necesară o calibrare în prealabil;
– facilitează obținerea unui model de scanare dens și regulat.
Un scaner laser terestru are în componență un mecanism complex care-i permite măsurarea pe două direcții a unui spațiu obiect oarecare. Aceste direcții pot fi considerate ca fiind cea verticală și cea orizontală, după cum este sugerat în Figura 1.11:
Figura 1.11 – Principiul Scanerului laser
Sursă: 3D Risk Mapping http://www.3driskmapping.org/site/
Raza modulată de lumină este emisă de către laser și întâlnește sistemul de deviere care se rotește cu o viteză mare. De pe suprafața acestui mediu optic raza laser este reflectată sub un anumit unghi α. În momentul în care scanerul a parcurs întregul profil din spațiul obiect, scanerul se rotește cu un mic unghi ω în jurul axei verticale pentru a parcurge alt profil, adiacent primului. Aceste operații se repetă până la parcurgerea tuturor profilelor prestabilite ale spațiului obiect supus investigării.
Descrierea suprafeței unui obiect se face printr-un număr cât mai mare de puncte preluate, distanța dintre aceștia pot fi de ordinul milimetrilor sau centimetrilor în funcție de poziția instrumentului relativ la suprafața obiect (distanța dintre punctul de stație și obiectul scanat) precum și de înclinarea suprafețelor de pe obiect față de direcția de scanare.
Față de înregistrările fotogrammetrice, rezoluția este mult mai mare și de aceea există tendințe de combinare acelor două tehnici de prelucrare în masă a punctelor.
Coordonatele 3D ale unui punct individual sunt date prin intermediul coordonatelor polare ce implică măsurarea distanțelor, unghiurilor verticale și a direcțiilor orizontale. Aceste coordonate sunt încadrate într-un sistem XOYZ cu originea în punctul matematic al instrumentului.
Putem deci afirma că Scanarea laser terestră este o metodă de conversie a datelor spațiale de înaltă rezoluție în modelele geometrice 2D și 3D de date de măsurători precise.
1.7 Clasificările scanerelor
Prima clasificare în literatura de specialitate privind scanările statice a fost în funcție de modul în care distanța se măsoară. Vorbim aici de instrumentele care utilizează metoda pulsului și de cele care utilizează modularea continuă a fazei.
În contextul Scanerelor laser putem spune că procedeul modularei fazei oferă o precizie și o viteză ridicată, dezavantajul fiind raza scurtă de acțiune de doar câteva zeci de metri, pe când procedeul impulsurilor permite o măsurarea distanțelor de până la sute de metri, dar cu o diluare a preciziei și a vitezei. Cu toate acestea ultima metodă este acceptată din punct de vedere al preciziei și vitezei, în plus viteza poate fi crescută folosind tehnologia pulsurilor multiple.
Desigur, simpla clasificare bazată pe tehnica de măsurare a distanței nu ține cont și de unghiul util sub care se poate scana. Prin urmare, a doua clasificare ține cont și de mecanismul de scanare și de suprafața pe care scanerele o pot scana. Această clasificare a fost introdusă de Staiger (2003) și distinge trei tipuri de scanare terestre statice (Figura 1.12):
Figura 1.12 – Clasificarea după unghiul util de scanare
Figura a: scanerul panoramic poate efectua măsurători de distanțe și unghiulare într-un model sistematic care oferă o acoperire unghiulară de 360o în plan orizontal – care trece prin centrul instrumentului – și un minim de 180o de acoperire în planul vertical, situat perpendicular pe primul plan. Totuși, un câmp de acoperire în plan vertical mai mare de 270o nu este ieșit din comun, oferind o acoperire substanțial mai mare a terenului situat sub planul orizontal al instrumentului. Singurul gol din aria de acoperire a unei sfere este produs de baza instrumentului de scanare și trepiedul său de sprijin. În timp ce acest model panoramic de scanare este util în contextul de cartografiere topografică, putem afirma că este foarte util în măsurarea unui complex industrial, cariere miniere mari, mine subterane și fațadele clădirilor din zonele urbane sau chiar în interiorul sălilor mari, a clădirilor, a camerelor etc.
Instrumentul care se încadrează în cea de-a doua categorie (Figura b) este cel cu acțiunea de scanare nerestricționată în jurul axei de rotație dar mișcarea unghiulară de scanare pe plan vertical este restricționată (sau limitată) de obicei la 50o – 60o. Acest tip se întâlnește de regulă la scanerele cu raza lungă sau medie de scanare folosite de cele mai multe ori în scopuri de cartografiere topografică atunci când nu suntem constrânși să măsurăm obiecte aflate la unghiuri abrupte, cum ar fi interiorul clădirilor.
Scanerele de tip aparat de fotografiat – care alcătuiesc a treia categorie – efectuează măsurători unghiulare și de distanțe într-un interval mult mai limitat, de regulă de 40ox40o în aceeași manieră ca un aparat de fotografiat (cel puțin din punct de vedere al acoperirii sale unghiulare).
O clasificare terțiară constă în clasificarea instrumentelor după raza lor de acțiune. Primul grup care ar putea fi distins constă în acele scanere laser care au rază de acțiune de maxim și utilizează ca tehnologie de măsurare a distanței metoda modulării fazei. Limitările acestor instrumente, cauzate de raza scurtă de acțiune, este compensată de preciziile foarte mari ale scanării care pot fi obținute într-un timp relativ scurt. Al doilea grup constă în instrumente care folosesc pentru măsurarea distanței metoda pulsului, oferă o raza de acțiune de 150- 350m dar și o precizie mai redusă. Al treilea grup, folosind aceeași metodă, poate prelua detalii de până la (Optech ILRIS-3D – Figura 1.13). Totuși, câștigul în raza de acțiune e urmat de reducerea preciziei și a viteze, însă în ciuda dezavantajelor prezentate, instrumentele din această categorie sunt acceptate pentru lucrări de scanări.
Figura 1.13 – Optech ILRIS-3D
Sursa: http://www.hydro-international.com/wosimages/1428_300.jpg
1.8 Surse de erori în scanarea laser
Fiecare punct aparținând norului de puncte provenit în urma unei scanări conține un număr relativ mare de erori. Modul în care se propagă aceste erori cât și semnul acestora este indicat de firmele producătoare ale instrumentelor dar ele nu trebuie luate la valoarea nominală, deoarece erorile depind de modul de întreținere și de finețea calibrării.
Privind mărimea efectivă a erorii, o abatere standard totală de câțiva milimetri pentru un nor de puncte ce alcătuiesc o suprafață care prin procesare are o geometrie regulată (cilindru, suprafață plană) nu iese așa de mult în evidență. În schimb, dacă trebuie procesate suprafețe neregulate, norii de puncte de tip zgomot pot avea un efect negativ în modelare, mai ales când vine vorba la operații de netezirea muchiilor sau a marginilor.
În prezent s-au efectuat mai multe teste de către diferite institute de cercetare privind precizia acestor instrumente folosindu-se diferite modele de scanere laser care au permis descrierea surselor de erori.
O bună metodă de a atenua sau chiar de a elimina efectul unor erori ar fi o calibrare atentă a fiecărui instrument dar și o atenție acordată măsurilor de precauție privind utilizarea acestuia.
În concluzie, scanarea trebuie efectuată cu instrumentul care se încadrează cel mai bine în raportul privind mărimea obiectului de scanat și distanța la care se află acesta.
Pentru a putea descrie în mod sistematic aceste erori cercetătorii le-au împărțit în patru categorii:
1. Erori instrumentale;
2. Erori legate de forma și natura obiectului scanat;
3. Erori datorate mediului în care se efectuează scanarea;
4. Erori metodologice.
1.8.1 Erori instrumentale
Erorile instrumentale pot fi clasificate în erori aleatoare și sistematice. Prima categorie afectează precizia de măsurare a unghiurilor și distanțelor în cazul instrumentelor ce folosesc metoda pulsului (time-of-flight). Erorile sistematice pot apărea din cauza neliniarității sistemului de măsurare a timpului sau a temperaturii, fapt ce influențează puternic măsurarea electronică a distanțelor.
a. Propagarea razei laser
Divergența razei laser crește odată cu distanța parcursă și are o puternică influență asupra rezoluției norului de puncte dar și asupra incertitudinii poziției punctelor măsurate.
Această divergență se exprimă prin relația:
Pentru distanțe mari, divergența tinde să devină liniară și diametrul fasciculului laser este exprimat ca poziție a încadrării a 85% din valoarea totală a puterii din cadrul distribuției Gauss a iradianței.
Practic, această divergență are un efect asupra locației angulare a punctului măsurat. Locația aparentă (locul unde se face măsurătoarea) a observației este centrul razei emise. Locația actuală a punctului se află undeva în amprenta proiectată. Cercetătorii D. Lichti și S. Gordon au dedus că incertitudinea razei este aproximativ egală cu ¼ din diametrul razei laser.
b. Problema marginii mixte
Una din consecințele cele mai importante ale divergenței laserului constă în problema marginii mixte. Aceasta se referă la fenomenul când o rază laser lovește marginea unui obiect și este împărțită în două. O parte din rază este reflectată din muchia pe care o întâlnește în cale iar cealaltă merge mai departe pentru a lovi altă suprafață. Fenomenul are ca rezultat o informație primită înapoi către receptor din două locuri diferite din spațiu. Coordonatele unui astfel de punct vor fi calculate ca o medie a celor două semnale primite relativ la poziția scanerului, fapt ce ar duce la o amplasare eronată a acestuia.
Șansele ca raza laser să lovească o margine sunt mai crescute pentru scanările cu o rezoluție mai mare iar rezultatele vor conține componenta de zgomot doar în zona din spatele muchiei obiectului respectiv sau dincolo de muchie (Figura 1.14).
O soluție pentru a elimina această problemă este utilizarea unui scaner echipat cu un laser a cărui rază are un diametru mai mic, dar odată cu creșterea distanței se mărește și diametrul acestuia.
Figura 1.14 – Efectul marginilor mixte
c. Incertitudinea distanței (registrului)
Incertitudinea distanței poate fi exprimată ca o funcție a unui număr de parametri bazată pe un tip de scaner și de principiul lui de funcționare. În funcție de tipul tehnologiei de măsurare a distanței, incertitudinea se exprimă prin mai multe formule.
Pentru scanerele laser care folosesc principiul triangulației, incertitudinea distanței se poate exprima cu formula:
Unde:
– D este lungimea bazei de triangulație;
– f este poziția efectivă a punctului laserului;
– δp este nesiguranța de poziție a laserului care depinde de tipul senzorului, algoritmul de detectare a semnalului de vârf al pulsului laser, de diferența dintre semnal și zgomot și de forma spotului de imagine a laserului;
– Z este distanța până la suprafața care scanează.
În cazul scanerelor care utilizează principiul pulsului se știe că nesiguranța distanței este dependentă de mecanismul de măsurare a timpului. Aceasta se poate scrie sub forma:
Unde:
– Tt este timpul de la voltajul minim la cel maxim al pulsului;
– c este viteza luminii;
– SNR este raportul semnal-zgomot.
Majoritatea scanerelor laser au o incertitudine a registrului la o distanță 50m în jur de 5- 50mm. Dacă se utilizează faza modulată, aceste incertitudini sunt remediate prin mediere.
Scanerele care utilizează undele continue evită dependența de un mecanism de măsurare a timpului prin modularea semnalului laser. În acest caz, incertitudinea depinde doar de lungimea de undă modulată (λm) și de raportul semnal-zgomot și poate fi descrisă de relația:
În figura următoare se vor compara incertitudinea distanței dintre diferite tipuri de scanere laser (Figura 1.15).
Figura 1.15 – Incertitudinea distanței pentru diferitele principii de măsurare
Sursă: 3D Risk Mapping http://www.3driskmapping.org/site/
d. Incertitudinea unghiulară
După cum am menționat în Secțiunea 1.6, majoritatea scanerelor laser folosesc oglinzi rotative pentru a devia fasciculul laser spre o direcție definită. O diferență unghiulară mică poate da naștere unor erori considerabile privind coordonatele punctelor când distanța scanner – obiect crește. Precizia unghiulară depinde de erorile în poziționarea oglinzilor dar și de precizia dispozitivului de măsurare a unghiurilor.
Practica ne-a învățat că putem determina influența acestor erori prin măsurarea unghiurilor orizontale și a distanțelor spațiale mici între obiecte– spre exemplu sfere – situate la aceeași distanță față de scaner. Compararea acestora cu măsurătorile efectuate prin metode precise de măsurare ne oferă o idee despre erorile implicate.
1. Erorile axiale la scanere laser
Pentru a înțelege mai bine aceste erori trebuie să definim următoarele axe:
– axa verticală, cunoscută și sub denumirea de axă principală. Această axă poate fi și cea de rotație a unității de scanare pe axa celor două oglinzi rotative, corespunzătoare celor două axe ale instrumentelor clasice de măsurare (principală și secundară);
– axa orizontală sau secundară este definită de axa de rotație a oglinzilor ce deviază fascicolul laser;
– axa de colimație, care trece prin centrul de scanare definit de oglinzi și prin centrul punctului laser îndreptat spre suprafața-obiect.
1.8.2 Erori legate de forma și natura obiectului scanat
Știm că scanerele laser măsoară reflexia fasciculului laser de pe suprafața unui obiect. Așadar, ne confruntăm cu legile fizicii privind reflecția și proprietățile optice ale materialelor componente ale obiectului respectiv.
Suprafața de reflecție a luminii monocromatice poate fi descrisă sub forma unor raze reflectate în mai multe direcții (Figura 1.16).
Figura 1.16 – Reflecția de pe o suprafață lambertiană (izotropică)
Această reflecție difuză (izotropică) poate fi descrisă de legea Lambert al cosinusului:
Unde:
– Ii este intensitatea luminii adiacente exprimată ca o funcție a lungimii de undă;
– kd(λ) este coeficientul de reflexie difuză exprimat în funcție de lungimea de undă;
– θ este unghiul dintre lumina incidentă și vectorul normal la suprafață.
Formula aceasta ne indică faptul că fasciculul laser este afectat de absorbția semnalului care trece prin aer, de reflecția materialului care alcătuiește suprafața obiect și de unghiul de incidență dintre raza laser și suprafața supusă măsurării. Luând în calcul aceste considerații putem afirma că suprafețele închise la culoare (negre) absorb majoritatea spectrului vizibil, ceea ce duce la un semnal reflectat slab. Consecința acestui fenomen este resimțit în precizia de determinare a punctelor afectată de erori (zgomote).
Pe altă parte, suprafețele cu reflectanță ridicată (deschise la culoare), oferă un semnal ferm și precis pentru măsurarea distanțelor. Totuși reflectivitatea obiectului prea mare (suprafețe metalice, benzi retro reflectorizante etc.) duce la reflectarea razei laser în totalitate în direcția oglinzii, lovind o altă suprafață sau se va răspândi dispersat.
De asemenea, suprafețele cu reflectivitate diferită duc la unele erori sistematice care adesea pot fi de câteva ori mai mari decât abaterea standard a unei singure măsurători de distanță.
Pe lângă efectele reflectorizante sunt situații când obiectul are un înveliș semitransparent prin care raza laser suferă un fenomen de refracție, apoi o reflecție secundară de pe suprafața materialului însuși (Figura 1.17). Acest efect duce la adăugarea unei constante adiționale la măsurătorile de distanțe care trebuie luată în considerare la calcule.
Figura 1.17 – Efectul refracției pe materiale semitransparente
1.8.3 Erori datorate mediului în care se efectuează scanarea
a. Temperatura
Temperatura din interiorul scanerului poate fi mult mai mare decât cea a mediului înconjurător datorită componentelor interne dar și influențelor externe (lumina solară). Radiațiile externe pot încălzi un picior al trepiedului, ceea ce duce la creșterea lungimii lui și la distorsionarea informațiilor din scaner.
Un alt factor legat de influența temperaturii îl reprezintă și temperatura suprafeței ce urmează a fi scanată. Dacă se scanează un obiect cu o temperatură mare, radiațiile reflectate reduc raportul semnal – zgomot, deci și precizia de măsurare a distanțelor.
b. Atmosfera
Un scaner laser funcționează în parametrii optimi atunci când mediul de scanare are o temperatură relativ constantă de-a lungul distanțelor măsurate. Dacă apar diferențe de temperatură precizia de măsurare a distanțelor e influențată în mod direct.
Erorile datorate mediului înconjurător provin din variațiile din temperatură, presiunea atmosferică și umiditate, acestea afectând direct valoarea indicelui de refracție. Acest lucru se resimte în valoarea vitezei luminii laser, care este dependentă de densitatea aerului.
Componenta software permite setarea parametrilor atmosferici pentru micșorarea efectului erorilor generate de refracția atmosferică. Aceasta vine cu o setare standard de 15oC și de 1013.25 mB. Dacă se lucrează în condiții atmosferice diferite, este necesară adaptarea acestor parametri.
Desigur, în scanarea laser terestră acești factori nu au o influență mare asupra rezultatelor dacă scanarea se efectuează la distanțe mici și medii. Dacă vorbim însă de distanțe mari sau cerințele de precizie sunt ridicate, este imperativ necesar să se aplice parametrii atmosferici corecți.
c. Radiații interferente
Scanerele laser operează în benzi de frecvență foarte apropriate, fapt ce înseamnă că precizia de măsurare a distanței poate fi influențată de radiații externe (surse puternice de lumină).
1.8.4 Erori metodologice
Aceste erori apar în urma metodei de măsurare alese sau de experiența operatorului care nu este familiarizat cu această tehnologie. Spre exemplu, dacă utilizatorul setează densitatea de puncte mai mare decât precizia/punct a scanerului laser, va avea loc fenomenul de oversample.
Alegerea greșită a scanerului constituie o altă sursă de erori. Dacă distanța obiect-scaner depășește domeniul maxim al scanerului rezultă un produs al scanării cu zgomote și măsurători mai puțin precise.
O altă categorie de erori de care trebuie ținut cont este cea datorită mișcării. Majoritatea scanerelor scanează la o rată de 2.000-500.000 puncte pe secundă. Cu toate că această viteză este rapidă, o scanare la o rezoluție înaltă poate dura în jur de 10 minute pentru scanerele pe baza modulației fazei și între 20 și 30 de minute pentru scanerele de tip timp-de-zbor. În acest timp, scanerul e predispus la mișcări și vibrații ce provoacă deplasări. Această distorsiune se numește distorsiune de mișcare.
Orice mișcare a obiectului sau a scanerului poate distorsiona datele colectate. Recomandat ar fi ca scanerul să fie situat pe o platformă stabilă pentru a micșora vibrațiile iar obiectul în sine să nu fie mișcat.
După cum am precizat mai devreme, temperatura poate încălzi neuniform trepiedul ducând la o înclinație a axei secundare de rotație. Din acest motiv cele mai multe scanere au incorporate un compensator cu axă duală care compensează în timp real orice deplasare a scanerului.
Dacă până în prezent am vorbit despre erorile ce pot apărea în timpul scanării, este timpul să precizăm că și starea echipamentului care poate influența precizia scanării. În tabelul următor sunt trecute unele instrumente de clasă geodezică rezultând valorile:
Tabel – Caracteristicile tehnice a celor mai utilizate sisteme de scanare laser
Capitolul 2
2.1 Componente hardware
Un sistem laser este definit ca un sistem ce permite generarea coordonatelor 3D. Pentru aceasta are în ansamblul său următoarele componente:
1. Unitate de scanare;
2. Unitate de control;
3. Sursă de energie;
4. Accesorii.
1. Unitatea de scanare este compusă din trei componente principale:
a. Sistemul de măsurare a distanțelor: acesta se poate baza pe unul din cele trei principii de măsurare descrise în capitolul anterior (timpul-de-zbor, interferometrie sau triangulație). Spațiul obiect e scanat atât orizontal cât și vertical la viteze de mii (poate chiar sute de mii) de puncte pe secundă în funcție de distanța dintre spațiu obiect și scanner. După ce raza laser este reflectată, aceasta este detectată de o fotodiodă; amplitudinea semnalului detectat reprezintând intensitatea. Aceasta poate fi considerată ca a patra dimensiune a punctului scanat și de ea depind o serie de parametri (unghiul de incidență, culoarea sau rugozitatea suprafeței etc.).
b. Sistemul de măsurare a unghiurilor: orientarea fascicolului laser în scanarea laser terestră (în plan vertical și orizontal) este măsurată electro-optic. Aceasta presupune transmiterea sau reflexia luminii, transformarea acestea de o fotodiodă în energie electrică, apoi semnalul este convertit într-un semnal digital care poate fi citit ca număr digital.
Majoritatea scanerelor folosesc o codificare binară dar pentru rezoluții mai mari se poate folosi și codificarea incrementală.
Codificarea binară constă în dispunerea codurilor pe piste concentrice. Dispozitivul de citire în această situație este o barieră luminoasă formată din mai multe fascicole pentru fiecare pistă.
Figura 2.18 – Cercul codificat
Sursă: J. Neuner – Instrumente și metode de măsurare – suport de curs
Dacă lumina trece da bariera luminoasă atunci este generat semnalul binar 1 și 0 în caz contrar.
Figura 2.19 – Codificarea binară
Sursă: J. Neuner – Instrumente și metode de măsurare – suport de curs
Pentru citirea unei direcții cu o aproximație de citire de 10cc, limbul trebuie divizat în 400.000 de semne de codificare distincte. Numărul pistelor ce trebuie codificate se obține prin rezolvarea ecuației:
Metoda incrementală nu are în componență o gradare prin cifre sau coduri ci un raster de linii, distanța dintre acestea fiind egală cu grosimea liniilor de gradare.
În acest caz, indicele de citire este format de o barieră luminoasă (fotodiodă). Dacă aceasta se mișcă se contorizează alternanțele luminos-întunecat. Astfel se obțin variații ale direcției față de o poziție inițială a limbului. Dacă alimentarea cu energie se întrerupe atunci orientarea limbului se pierde, iar la o nouă pornire a instrumentului măsurătorile vor fi efectuate cu o origine complet diferită.
Problema principală la această metodă este determinarea sensului de rotire a limbului. Pentru aceasta, dispozitivul conține minim două bariere luminoase dispuse la nT+T/4 între ele, unde T este intervalul de divizare a limbului. Dacă cele două bariere luminoase se rotesc în sens orar atunci ele oferă următoarele semnale:
a
b
Figura 2.20 a. Metoda incrementală
b. Rotirea în sens orar respectiv sens antiorar
Sursă: J. Neuner – Instrumente și metode de măsurare – suport de curs
Dacă semnalul 1 este luminos și semnalul 2 se schimbă de la luminos spre întunecat (sau semnalul 1 este întunecat și semnalul 2 trece de la întunecat spre luminos) atunci avem sens orar. La rotirea în sens antiorar, semnalul 1 este întunecat și semnalul 2 se schimbă de la luminos la întunecat (sau semnalul 1 este luminos iar semnalul 2 se schimbă de la luminos la întunecat).
c. Sistemul de deflecție
Scanarea spațiului obiect implică deflecția fascicolului laser în două direcții: verticală, respectiv orizontală. Deflecția razei laser oferă măsurătorile unghiulare ce corespund citirilor la cercurile orizontal și vertical. Deflecția orizontală și verticală se face cu un unghi incremental constant rezultând o rețea care definește în final norul de puncte. Metodele folosite la deflecție au fost explicate în capitolul 1.6.
Norul de puncte poate conține două tipuri de informații:
– metrice: descriu geometria obiectului și relațiile spațiale ale acestuia cu mediul înconjurător (spațiu obiect);
– tematice: sunt utilizate pentru a descrie proprietățile suprafețelor obiect scanate și pentru a estima încrederea acordată datelor achiziționate.
2. Unitatea de control
Unitatea de control este de cele mai multe ori un laptop ce are instalată o componentă software specifică ce permite controlul întregului proces de scanare și înregistrare a datelor. Foarte important este spațiul de stocare a sistemului și viteza cu care se realizează aceasta întrucât informațiile culese de la scanner sunt voluminoase.
3. Sursa de energie
Având în componență servomotoare, unități optice de măsurare, plăci de bază conținând mii de tranzistori, este necesar ca alimentarea să se facă de la o baterie de 12V și 12Ah.
4. Accesorii
Accesoriile constau în ținte de vizare, bastoane, trepiede etc.
2.2 Componenta software
Componenta software furnizată poate să difere în funcție de firma producătoare întrucât fiecare instrument stochează datele într-un anumit format. În general, componenta software trebuie să asigure o serie de funcții de bază necesare efectuării măsurătorilor, să fie o interfață simplă și rapidă pentru definirea ferestrelor de scanare și a valorilor rezoluției. Util ar fi oferirea posibilității de recunoaștere automată a țintelor și a punctelor de control, rectificarea dinamică a rezoluției dar și posibilitatea contorizării timpului de scanare și estimarea timpului rămas până la finalul operațiunii.
Dacă operația de scanare implică mai multe stații de preluare, componenta software trebuie să asigure o registrație completă a norilor de puncte preluați din stații diferite. Această operație va fi descrisă în detaliu în capitolul următor.
Pe parcursul lucrării, componenta software va fi Cyclone 6.0.2 produs de Leica Geosystems. Acest modul software oferă utilizatorilor un set de operații pentru procesarea norilor de puncte pentru proiecte de scanări 3D în inginerie, topografie dar și pentru aplicații din construcții.
Cyclone este compus din mai multe module software individuale pentru diverse nevoi, rezultând un produs flexibil și accesibil.
Cyclone Register oferă un set complet de instrumente pentru aducerea norilor de puncte preluați din diferite stații de scanare într-un sistem unitar rapid și precis. Registrația se poate realiza cu ținte de vizare (naturale sau artificiale) sau fără, ultima metodă fiind mai greoaie și puțin precisă.
Cyclone Survey permite utilizatorilor extragerea rapidă a caracteristicilor relevante și să dirijeze informația de la norul de puncte folosind funcția Cyclone Virtual Surveyor. Reprezintă o unealtă de creare a modelelor topografice inteligibile cu o precizie ridicată.
Cyclone Importer permite convertirea fișierelor importate de la alte instrumente în formatul standard utilizat de Cyclone. Prin înțelegere cu celelalte firme constructoare, acest modul permite importarea directă a fișierelor provenite de la următorii producători: Faro, Riegl, Optech.
Cyclone Basic permite gestionarea parametrilor de scanare, localizarea țintelor, obținerea imaginilor digitale, procese de georeferențiere etc. Modulul permite vizualizarea și navigarea în norul de puncte și în modelul spațial, dar și măsurarea pe acestea.
Cyclone Server permite accesul membrilor individuali la modele 3D, oferind astfel un mediu de proiectare și colaborare pentru proiectele mari și complexe, reducând semnificativ timpul de lucru.
Leica TruView și Cyclone Publisher ajută la publicarea norilor de puncte pe platforme web și permite vizualizarea lor oriunde în lume. Utilizatorii pot vizualiza, mări sau muta norul de puncte după bunul plac.
Cyclone Navigator înglobează aceste module și în funcție de bugetul alocat, se pot achiziționa și altele.
Figura 2.21 – Cyclone – Navigator
Bara de instrumente pentru Cyclone Navigator este prezentat în următoarea imagine:
Figura 2.22 – Bara de instrumente a soft-ului Cyclone
1 – Create project: creează un folder în care pot fi stocate diverse proiecte;
2 – Create ModelSpace: creare model spațial;
3 – Create ScanWorld: creează un fișier în care se poate importa norul de puncte;
4 – Create Registration: unește norii de puncte din stații diferite într-un sistem de coordonate unitar;
5 – Create Key Plan;
6 – Create ModelSpace;
7 – Create Shortcut;
8 – Undo;
9 – Redo;
10 – Cut;
11 – Copy;
12 – Paste;
13 – Delete.
Pentru a înțelege mai bine cum funcționează soft-ul trebuie definiți următorii termeni:
– ScanWorld: un nor sau o colecție de nori de puncte raportați într-un singur sistem de coordonate. Acestea conțin ControlSpaces și ModelSpaces;
– ControlSpace: conține informațiile folosite la registrația scanărilor preluate din mai multe stații;
– ModelSpace: conține informația din bazele de date care au fost modelate, procesate sau schimbate;
– TruSpace: oferă posibilitatea vizualizării norului de puncte din perspectiva scanerului.
Întrucât de cele mai multe ori trebuie să definim aria (secțiunea) ce trebuie scanată, Cyclone ne pune la dispoziție funcția ScanControl. Aceasta permite limitarea zonei de scanare doar pe spațiul obiect rezultând, astfel o economie de timp și de spațiu de stocare. În imaginea următoare se poate observa că au fost înregistrate milioane de puncte din mediul înconjurător, care prin prelucrare vor trebui șterse.
Figura 2.23 – Punctele scanate suplimentar
Lansând modulul ScanControl putem limita câmpul de preluare. Fereastra nou deschisă va conține o rețea de pătrate în care putem selecta zona dorită pentru scanare.
Figura 2.24 – Limitarea câmpului de scanare
După ce am adăugat noul câmp de preluare, norul de puncte va arăta ca în imaginea următoare:
Figura 2.25 – Spațiul de scanare limitat
2.3 Etapele culegerii datelor
2.3.1 Considerații suplimentare
1. Viteza
Cu toate că raza de achiziție a datelor este mare, scanarea laser poate fi un proces consumator de timp, mai ales când este necesară o rezoluție mare implicând o densitate mare de puncte. O înregistrare cu o rată de 100 de puncte pe secundă e considerată mică, de cele mai multe ori fiind necesară o rată de 10 ori mai mare pentru a fi considerată satisfăcătoare.
La acestea se mai adaugă și timpul necesar operațiilor suplimentare: transportul instrumentelor în diferite puncte de stație, setarea procesului de scanare, controlul punctelor măsurate etc. Din aceste considerente, observăm că nici dacă mărim rata de culegere a datelor la 10.000 de puncte pe secundă, durata necesară nu scade semnificativ.
2. Rezoluția și mărimea spotului
Rezoluția este în funcție de mărimea incrementului unghiular dat pentru mișcarea razei de măsurare. Important este și mărimea spotului (ariei reflectate) care limitează rezoluția locală. Dacă dorim o rezoluție mai mare trebuie verificat cât de bine este focalizată raza de măsurare și dacă procedura de focalizare automată este setată pentru distanța la care se face scanarea.
3. Câmpul de vedere
Scanerele fixe, fără axe de rotație motorizate au un câmp de vedere (Field of View – FOV) limitat la o arie de scanare aproximativ de 40o/40o pe când cele cu o axă motorizată 45o/350o, iar cele cu două pot scana oriunde, exceptând o arie conică de aproximativ 30o la nadir.
Câmpul mare de vedere este foarte avantajat când scanarea se efectuează în spații închise (camere) unde scanerul trebuie să colecteze cea mai mare parte de date dintr-un singur punct de observație, fără alte operații suplimentare din partea operatorului.
4. Dispozitive necesare pentru registrație
Dacă scanările se efectuează din diverse puncte de observație, atunci este necesar ca acestea să fie aduse într-un sistem de coordonate comun. Această operație poartă denumirea de registrație. Pentru aceasta avem nevoie de ținte de vizare speciale amplasate în spațiul obiect și care pot fi detectate ușor de către software. Aceste ținte sunt de regulă niște sfere (Figura 2.25 – a) sau ținte plane cu reflectivitate mare (Figura 2.25 – b).
Figura 2.26 – a – țintă sferică; b – țintă plană
5. Camere foto
În afara definirii geometrică a obiectului, sunt necesare și informații suplimentare despre textura obiectului. Dacă aceste texturi sunt integrate în modelul 3D, atunci rezultă o vedere foto-realistă a spațiului obiect. Cele mai multe scanere înregistrează și intensitatea semnalului recepționat, dar aceasta nu este suficientă pentru a furniza informații despre textura obiectului scanat.
Unii utilizatori doresc includerea în echipamentul scanerului a unei camere de înaltă rezoluție însă alții nu sunt dispuși să plătească în plus pentru ea. Soluția de compromis este echiparea scanerelor cu adaptoare pentru fixarea unei camere. Astfel, poziția relativă a scanerului și a camerei poate fi calibrată permițând integrarea imaginilor în rezultatele scanării.
2.3.2 Proiectarea măsurătorilor
Nu există o procedură standard pentru planificarea ședinței de scanare laser în prezent. Cu toate acestea, comunitățile de utilizatori ai scanării laser au tras următoarele concluzii privind etapele ce ar trebuie parcurse pe teren:
1. Determinarea scopurilor și a obiectivelor;
2. Analiza zonei care urmează să fie supravegheată;
3. Determinarea poziției optime a țintelor;
4. Determinarea tehnicilor și echipamentelor de măsurare;
5. Managementul informațional.
Achiziționarea datelor se poate realiza într-un timp foarte scurt, lucru care conferă un avantaj față de metodele clasice, în schimb post-procesarea datelor poate să dureze mai mult. Timpul necesar post-procesării depinde de volumul uriaș de date (pot fi zeci de milioane de puncte într-un singur nor de puncte) dar și de abilitatea operatorului.
1. Determinarea scopurilor și a obiectivelor
Pentru a putea înțelege mai bine nevoile și cerințele clientului, trebuie să se răspundă la câteva întrebări:
Î: De ce dorește clientul ca un obiect să fie înregistrat și ce dorește să facă cu informațiile înregistrate?
R: Principalul motiv este acela de a conferi o bună cunoaștere privind spațiul obiect rezultatul și acuratețea acestuia.
Î: La ce rezultate se poate aștepta?
R: După finalizarea scanării este necesar să se definească și produsele finale. Acestea pot fi reprezentări 2D, modele 3D sau chiar animații 3D. În unele cazuri clientul dorește doar norii de puncte pentru arhivare. Important este și gradul de detaliere deoarece aceasta ajută la determinarea rezoluției așteptate.
2. Analiza zonei care trebuie supravegheată
Strângerea a cât mai multe informații privind obiectul care trebuie înregistrat oferă informații esențiale referitoare la complexitatea și timpului necesar. Rezoluția solicitată și precizia de înregistrare sunt determinate de scara ariei ce urmează a fi măsurată sau de mărimea minimă a detaliilor care ar putea fi recunoscute în produsele finale.
Informațiile din teren (hărți, fotografii, sau imagini video ale amplasamentului) pot ajuta foarte mult la determinarea posibilelor riscuri în momentul scanării obiectului.
Nu doar obiectul propriu-zis poate furniza informații utile, ci și împrejurările. Eventualele obstrucții determină alegerea pozițiilor punctelor de stație iar restricțiile de timp determină alegerea metodei și momentul scanării. Distanța puncte de stație-obiect determină indirect distanțele minime și maxime la care scanerul le-ar putea înregistra.
Folosind aceste date, se poate lua o decizie privind înregistrarea adecvată, tehnica de scanare laser și eventual alegerea tipului de scanner. Scanarea laser reprezintă o tehnologie de ultimă generație, dar nu de fiecare dată reprezintă cea mai eficientă soluție pentru orice problemă. Sunt cazuri când este mai eficientă folosirea altor tehnici de înregistrare. Principalele motive pentru alegerea scanării laser sunt:
– structuri ale suprafețelor foarte complexe;
– se cere rezultat 3D;
– se cer măsurători de suprafață în loc de măsurători pe fiecare punct;
– datele înregistrate pot fi utilizate și în alte scopuri;
– arhivarea datelor fără cunoștințe apriorice privind utilizări ulterioare etc.
3. Determinarea pozițiilor optime pentru scanare
După finalizarea etapei de documentare asupra amplasamentului și după ce s-a decis că scanarea laser este cea mai eficientă tehnologie de înregistrare, trebuie alese pozițiile stațiilor de scanare și a țintelor de vizare.
Alegerea pozițiilor optime ale punctelor de stație se face astfel încât să garanteze acoperire și precizie maximă dar și un număr cât mai mic de puncte de stație. Aceste considerente trebuie luate în calcul deoarece, cum s-a arătat în paragrafele anterioare, precizia măsurătorilor depinde și de diametrul fascicolului laser proiectat pe suprafața spațiului obiect emis din punctul de stație (Figura 2.27 și Figura 2.28).
Figura 2.27 – Poziție inadecvată
Sursă: Coșarcă C-tin, Sisteme de măsurare în industrie, Editura Conspress, 2009, p. 131.
Figura 2.28 – Poziție adecvată
Sursă: Coșarcă C-tin, Sisteme de măsurare în industrie, Editura Conspress, 2009, p. 131.
De asemenea, unghiul de incidență și distanța până la obiectul de scanat sunt condiții decisive în alegerea punctelor de stație.
O analiză de determinare a configurației optime a scanerului pentru a atinge precizia cerută oferă un set de reguli care ar trebui respectate în timpul determinării poziției optime a scanerului:
– să se aleagă pozițiile care oferă o acoperire largă a ariei de scanare fără a avea obstrucții pe linia de vizare (fapt ce ar duce la efectul de umbrire);
– să se verifice dacă limitele de distanță minime sau maxime ale scanerului sunt îndeplinite (cu cât crește distanța, cu atât rezoluția și precizia scade);
– alegerea unui număr cât mai mic de stații astfel încât să se evite unghiurile de intersecție mică. În unghiuri ascuțite, raza laser nu este bine reflectată ceea ce duce la rezultate mai puțin precise (Figura 2.29);
Figura 2.29 – Unghiul de incidență a razei laser
Sursă: 3D Risk Mapping http://www.3driskmapping.org/site/
– alegerea unei poziții astfel încât instrumentul să fie ferit de factorii perturbatori: vibrații, radiația solară, vânt etc.
4. Determinarea poziției optime a țintelor
La fel de importantă ca poziția scanerului este și poziția țintelor de vizare. Acestea sunt folosite pentru a înregistra scanări luate din diferite poziții. Există o mare varietate de tipuri de ținte: sferice, retro-reflectorizante, prismatice și de hârtie.
Important de știut atunci când se folosesc ținte este că ele trebuie să fie răspândite pe scară largă pe toate cele trei direcții ale axelor (x, y, z). Spre exemplu, dacă toate țintele sunt dispuse pe o linie, vom avea un grad de libertate și anume rotația în jurul acestei linii.
Țintele retro-reflective și țintele sferice sunt utilizate cel mai frecvent deoarece acestea sunt construite ca să reflecte cea mai mare parte din raza laser înapoi către scanner. Astfel, scanerul le poate detecta în mod automat și după un proces de scanare fină (precisă) le determină exact centrul lor. Se pot folosi și ținte de hârtie deoarece sunt mult mai ieftine decât cele retro-reflexive sau sferice.
Cercetătorii Mills și Barber susțin că ar trebui folosite cel puțin patru puncte/ținte de control distribuite uniform pentru scanare.
5. Managementul datelor
Având în vedere volumul mare de date colectate în timpul procesului de scanare, este foarte important să se facă o planificare atentă a capacității mediului de stocare a datelor. Ținând cont că o scanare poată să ajungă la o dimensiune de aproximativ 1 Gb și că pe zi sunt făcute 20-30 de scanări, rezultă un set de date de aproximativ 20-30 Gb.
2.3.3 Operații de teren
1. Pregătirea studiului
Pregătirea studiului presupune luarea deciziilor privind tehnica de înregistrare ce va urma a fi folosită. Aceste tehnici sunt împărțite în trei categorii:
– staționarea liberă, folosind intersecția 3D a vizelor spre țintele de vizare;
– staționarea pe puncte de coordonate cunoscute;
– staționarea utilizând puncte de constrângere din nori de puncte diferiți.
2. Setarea scanerului
Operația de setarea a scanerului coincide cu operația de setare în stație a stației totale. Trebuie respectații pașii:
– se așează trepiedul la o înălțime convenabilă;
– se atașează scanerul pe trepied și se centrează dacă acesta prevede dispozitiv optic de centrare;
– se calează instrumentul.
3. Conectarea instrumentului
Față de o stație totală, un laser scanner trebuie să fie în conexiune permanentă cu un laptop pentru a primi și stoca toate datele provenite de la scanner. Energia electrică poate fi furnizată de către baterii sau de un generator sau chiar de rețeaua de electricitate.
Pentru a conecta scanerul la laptop sunt necesari următorii pași:
– se realizează conexiunea scanner-laptop folosind un cablu de rețea;
– se conectează bateria la scanner;
– se îndepărtează capul lentilei de la scanner și se deblochează scannerul;
– se pornește scanerul și se așteaptă să se încălzească;
– se pornește programul de control al scanerului de pe laptop și se inițializează conexiunea.
Scanerele de ultima generație sunt complet integrate, adică au incorporate un program de control, modalitate de stocare a datelor și o baterie.
4. Setările scanerului
După ce programul de control a scanerului a fost stabilit, trebuie specificați parametrii ce urmează a fi utilizați în procesul de scanare.
Selectarea țintei
Chiar dacă majoritatea scanerelor pot scana într-un registru complet, acest lucru nu este de fiecare dată suficient. Prin urmare, trebuie să definim zona care urmează să fie scanată. Pentru a realiza acest lucru avem mai multe opțiuni:
– folosind panoul de comandă (dacă există) putem defini aria de scanare. Această metodă este o cale grosieră dar mai rapidă;
– folosind opțiunile de control ale software-ului. Această metodă presupune preluarea unei imagini a întregii scene de scanare ceea ce permite apoi selectarea ariei de scanare.
Scanerele de ultima generație sunt prevăzute cu camere foto sau video ce permit utilizatorului să vizualizeze detalii pe care scanerul nu le poate percepe. Utilizatorul poate selecta prin intermediul unui software aria printr-o selecție a unei părți a imaginii, identic cu selectarea unei zone a unei imagini într-un soft de prelucrare a imaginilor.
Stabilirea rezoluției de scanare
Un proiect de scanare realizat corect presupune și alegerea unei rezoluții optime determinând și densitatea de puncte din norul de puncte.
Deși există o strânsă legătură între precizie și rezoluție, cele două noțiuni sunt diferite și definesc aspecte diferite ale procesului de scanare. Rezoluția este determinată de cel mai mic detaliu al structurii suprafeței care este nevoie să fie recunoscută în produsul final.
Important de reținut este că, cu cât rezoluția este mai mare, cu atât sunt mai multe puncte care trebuie să fie scanate, crescând astfel durata de achiziție și spațiul de stocare necesar.
Unele programe software permit setări rapide de rezoluție pentru anumite distanțe. De regulă, în manualul scanerului sunt oferite date privind rezoluțiile efective de la mai multe distanțe.
Tabel 1.3 – Densitatea de puncte adecvate
Acest tabel a fost creat folosind formula:
Unde:
– Q este calitatea datelor;
– m este rezoluția;
– λ este mărimea minimă a detaliului sau densitatea cerută a punctelor.
5. Filtrarea datelor
Este evident că scannerul va înregistra puncte suplimentare care vor trebuie șterse ulterior în etapa de prelucrare. Chiar dacă s-a selectat grosier zona de interes, produsul final trebuie filtrat folosind filtre primare denumite și filtre hard. Acestea pot fi în funcție de distanță, de reflectanță sau de combinații ale acestora. Filtrarea primară poate fi văzută ca o asigurare că datele colectate se încadrează în limitele de precizie de măsurare a distanțelor ale scanerului. De asemenea vor fi eliminate și punctele care nu se încadrează în limitele de precizie datorită valorilor mici ale reflectanței.
Figura 2-30 – Filtrarea primară în funcție de distanță
2.3.4 Achiziționarea datelor
1. Scanarea obiectivului
După ce a fost determinată aria de scanare și rezoluția, se poate iniția procesul de scanare. Acest proces este unul automatizat, dirijat de componenta software. După inițierea procesului de scanare, scanerul se îndreaptă automat spre punctul de start unde începe achiziționarea datelor. Prin intermediul laptopului, punctele scanate pot fi vizualizate direct în cele trei dimensiuni, oferind o privire de ansamblu asupra zonei scanate. Este recomandat ca datele să fie verificate pentru obstacole neprevăzute care cauzează zone de ocluzie în datele de scanare.
În funcție de zona vizată și de rezoluția aleasă, procesul de scanare poate dura între 5 și 120 de minute (câteodată chiar mai mult). În acest timp se pot face descrieri și schițe ale zonei de scanat. Acestea trebuie să arate și să descrie obiectul sau obiectele ce sunt scanate, pozițiile de scanare, pozițiile țintelor de vizare etc. Trebuie specificate de asemenea și condițiile care ar putea influența scanarea și setările utilizate la scanare.
2. Scanarea țintelor
Dacă sunt utilizate ținte artificiale sau naturale pentru registrația norilor de puncte rezultați din scanare, atunci acestea trebuie etichetate și măsurate foarte precis.
Viteza de scanare la sistemele care utilizează procedeul timp-de-zbor la măsurarea distanțelor este limitată, deci procesul de scanare se desfășoară în două etape:
– în prima etapă se scanează spațiul obiect cu rezoluția adecvată pentru cerințele produsului finit (scanare generală);
– în faza a doua se efectuează o scanare fină a țintelor de vizare pentru a atinge o precizie înaltă la determinarea centrului acestora.
Softurile de prelucrare oferă posibilitatea detectării automate a țintelor de vizare pentru scanarea fină, deoarece acestea sunt confecționate dintr-un material puternic retroreflectant. Cu toate acestea, de preferat este să se efectueze o verificare a rezultatelor scanării pentru a ne asigura că nu a fost omisă nicio țintă de vizare.
După ce poziția aproximativă a țintelor a fost detectată, acestea sunt scanate din nou cu o rezoluție înaltă. Software-ul de control al scanării poate ajusta automat forma specifică a țintei și determină exact centrul acesteia (Figura 2.30).
Figura 2.30 – Țintă sferică scanată
Se pot utiliza în locul țintelor de vizare și puncte de detaliu. Acestea sunt forme bine definite geometric, ușor de distins în spațiul obiect și care pot fi localizate cu precizie prin forma lor. Este recomandat ca acestea să fie scanate cu rezoluție ridicată și să fie etichetate manual pentru a reduce erorile de interpretare în faza de procesare.
Scannerele de ultimă generație care folosesc principiul diferenței de fază au o viteză mare de scanare chiar și pentru o scanare de 360o. O astfel de scanare la o rezoluție foarte înaltă poate dura între 5 și 10 minute. Acest mod de lucru este vizibil mai rapid deoarece nu mai este necesară re-scanarea țintelor cu o rezoluție superioară.
Cu toate acestea, la birou este necesară identificarea (etichetarea) acestor ținte și necesită observații de teren și scheme foarte bune ale terenului.
3. Determinarea poziției țintelor de vizare
Lucrând cu coordonate, lucrarea scanată poate fi reprezentată într-un sistem local sau în sistemul național. Pentru încadrarea lucrării în sistemul național trebuie determinate pozițiile spațiale ale țintelor de vizare. Încadrarea poate fi realizată utilizând mijloace moderne de măsurare (stații totale) printr-o drumuire poligonometrică vizând atât punctele de stație cât și țintele de vizare, sau utilizând tehnologia GPS pentru a reduce la minim erorile în procesul de scanare.
4. Verificarea finalizării scanării
Aceasta este ultima etapă care se efectuează pe teren și are o importanță foarte mare. Dacă la birou se sesizează lipsa unor date, atunci toată operația trebuie reluată ajungând astfel la o redundanță în informații. Din fericire, componenta software de control al scanării oferă posibilitatea de verificare.
2.4 Etapele prelucrării datelor
2.4.1 Pregătirea datelor
Primul lucru care se face la birou constă într-o analiză a datelor obținute la scanare și compararea schițelor și observațiilor făcute pe teren. Recomandat este să se lucreze cu o copie a datelor de scanare și să se păstreze originalele ca backup.
În funcție de firma constructoare, fiecare instrument stochează informațiile în diferite formate (după cum a fost menționat în Subcapitolul 2.2, softul Cyclone poate converti formatele provenit de la alte instrumente). Cel mai întâlnit format este xyzgb la care se adaugă și așa-numitele meta-date care conțin schițele de teren, observațiile, descriere și toate informațiile culese în etapa de pregătire a măsurătorilor.
Primul pas în vederea pregătirii datelor constă în eliminarea din setul de date a erorilor generate de operator sau de condițiile mediului înconjurător. Datele rămase vor purta denumirea de cele mai bune vederi (bestviews) ale obiectului scanat.
Sunt situații în care este necesară o a doua filtrare a datelor înainte de înregistrare. Aceasta este necesară atunci când obiectivele sunt plasate departe de scanner sau din cauza unor condiții de mediu, scanările fine ale țintei pot fi pline de zgomote.
2.4.2 Încărcarea datelor în software
După ce datele au fost verificate și prelucrate, acestea trebuie descărcate și încărcate în soft-ul Cyclone. Formatul sub care va fi salvat proiectul este imp specific scanerelor Leica.
Pentru a încărca datele avem două posibilități, în funcție de locul în care sunt stocate (în memoria laptop-ului sau direct din scanner). După cum se poate observa în imaginea următoare, în bara de lucru a Cyclone – Navigator, dacă alegem să încărcăm fișierul direct din laptop, atunci trebuie dat clic dreapta pe Itemul corespunzător (în cazul nostru, „ADRIAN – PC”) și selectat Database… va apărea o nouă fereastră care permite gestionarea bazelor de date încărcate (Figura 2.31). Apăsăm pe butonul Add… și se va deschide o nouă fereastră în care va trebui să indicăm numele și calea de acces către aceasta.
Figura 2.31 – Încărcarea datelor
Figura 2.32 – Gestiunea bazelor de date
După ce a fost încărcat fișierul, în meniul Cyclone – Navigator va apărea baza de date și acolo vor fi incluse și toate stațiile din care s-au preluat măsurători (Figura 2.33).
Figura 2.33 – Vizualizarea fișierului încărcat
2.4.3 Registrația
Dacă obiectul pe care dorim să-l scanăm este de așa natură că suntem nevoiți să preluăm măsurători din mai multe stații, atunci acestea vor trebuie aduse într-un sistem de coordonate unitar. Fiecare sesiune de scanare generează un sistem de coordonate cu originea în centrul instrumentului cu axele orientate în mod aleatoriu.
Definim registrația ca fiind procesul de combinare a sesiunilor de scanare din diferite poziții ale scannerului și aducerea acestora într-un sistem de coordonate unitar. Acest proces este definit de relația:
xc= R * xs + t, unde:
R – matricea de rotație;
t – vectorul care descrie translațiile;
xc – coordonate în sistemul comun;
xs – coordonate în sistemul scannerului.
Această operație este foarte importantă deoarece în lipsa ei, putem avea suprapuneri de puncte, fapt care ar duce la rezultate eronate sau chiar nefolositoare. În imaginile următoare sunt prezentate 2 sesiuni de scanare preluate din stații diferite, în care nu este efectuată registrația și cei doi nori de puncte se suprapun.
Figura 2.34 – Două stații de scanare diferite
Figura 2.34 – Cele două stații unite fără registrație
În materie de efectuare a registrației putem spune că există două categorii: registrație directă și registrație indirectă. În schița următoare sunt prezentate acestea două dar și metodele prin care se pot realiza:
Figura 2.36 – Metode de registrație
Indiferent de modul de modul de lucru ales, georeferențierea este posibilă doar dacă pozițiile scanerului laser și orientările sunt determinate (folosind stații totale sau tehnologie GNSS).
2.4.3.1 Registrația directă
Registrația directă se referă la faptul că orientarea și poziția scanerului este calculată direct. Pentru a realiza acest lucru avem două metode. Prima metodă constă în determinarea poziției scanerului folosind un receptor GPS. A două se aseamănă mai mult cu metodele clasice de măsurare deoarece implică fixarea unui reflector special în partea de sus a axei de rotație a instrumentului (poziția exactă a acestui reflector asupra cercului central al razei laser poate fi determinată printr-o procedură de calibrare). Dacă poziția acesteia este cunoscută, reflectorul poate fi măsurat utilizând o stație totală așa cum s-ar face atunci când s-ar înființa o rețea de poligonație pentru o rețea de legătură. În cazul în care scanerul poate fi centrat pe un punct cunoscut, orientarea putând fi determinată prin scanarea doar a unui obiectiv.
Registrația directă reduce semnificativ numărul de obiective care urmează a fi introduse și, prin urmare evită cerințele exigente cu privire la configurația țintei. Luând în considerare toate aceste aspecte, reiese că această tehnică este de cele mai multe ori mai rapidă decât registrația indirectă.
Dacă este necesară și georeferențierea, atunci poziția măsurată a obiectelor reflectorizante trebuie transformată într-un sistem de coordonate cunoscut.
2.4.3.2 Registrația indirectă
Registrația indirectă implică utilizarea particularităților obiectivului și sunt necesare cel puțin trei corespondențe între două scanări. Ca metode de registrație indirectă avem registrația bazată pe ținte artificiale și naturale, registrația utilizând trăsături comune și registrația utilizând suprapuneri de suprafață și registrația utilizând nori de puncte.
Dacă se cere și georeferențierea, atunci obiectele însele trebuie înregistrate și transformate într-un sistem de coordonate local sau național.
Această tehnică de registrație trebuie utilizată cu precauție deoarece la fiecare registrație a perechilor de nori de puncte se cumulează erori generând o eroare globală mare.
1. Registrația bazată pe ținte artificiale și naturale
Țintele artificiale sunt distribuite uniform pe suprafața spațiului ce urmează a fi scanat astfel încât să permită scanarea lor din mai multe puncte de stație. Acestora li se calculează coordonatele, care vor fi folosite apoi la determinarea parametrilor de transformare. Poziția punctelor poate fi determinată prin tehnologie GNSS sau tehnologie clasică. Este utilă această operația mai ales când ni se solicită încadrarea măsurătorilor într-un sistem de coordonate predefinit (local, național sau global).
Componenta software va calcula centrul țintei și va realiza registrația. Tipul și forma țintelor este în funcție de sistemul de scanare, de precizia solicitată și de accesoriile de care dispunem. Țintele pot fi plane, sferice sau cilindrice.
Țintele naturale se folosesc atunci când nu se pot utiliza țintele artificiale. Țintele naturale sunt practic niște improvizații și constau în detalii din spațiul obiect ale căror suprafețe, forme sau axe pot fi definite ușor din punct de vedere geometric.
În categoria țintelor naturale intră și așa numitele puncte de interes ale structurii spațiului obiect care pot fi identificate cu precizie mare (spre exemplu colțuri de tâmplărie, muchii de cornișe etc.).
Rezultatele registrației utilizând ținte naturale sunt mai slabe decât cele rezultate din utilizarea țintelor artificiale. Motivele pentru această diferență în precizie sunt:
– detaliile comune se identifică într-o măsură subiectivă, mai ales în cazul vizelor de scanare foarte înclinate;
– detaliile comune din diferite stații nu sunt alcătuite neapărat din puncte identice. Aceste puncte sunt situate (de cele mai multe ori) în interiorul unor cercuri de câțiva mm datorită fenomenului de divergență a razei laser.
2. Registrația utilizând suprapuneri de suprafețe
Procedeul presupune suprapunerea suprafețelor comune din norii de puncte vecine. Față de metoda descrisă anterior, aceasta prezintă avantajul unei precizii mai mari și oferă o înaltă flexibilitate pentru orice tip de suprafețe 3D. Această tehnică este relativ nouă iar algoritmul de lucru estimează (prin metoda celor mai mici pătrate) distanțele între porțiuni de suprafețe și încearcă să minimalizeze iterativ aceste distanțe ca și în cazul algoritmului ICP.
Metoda se folosește atunci când unele scanări conțin un nivel mare de zgomote. De preferat ar fi ca înainte să se filtreze separat fiecare suprafață, după care să se treacă la alinierea acestora.
3. Registrația folosind norii de puncte
Acest procedeu permite unirea a două sau mai multor seturi de date într-unul singur, cu condiția ca acestea să aibă zone de suprapuneri de cel puțin 30%.
Metoda folosită la acest tip de registrație este ICP și constă în alegerea a trei puncte comune din cei doi nori de puncte separați. Din cauza faptului că cele trei puncte comune nu vor fi selectate exact niciodată, algoritmul ICP verifică în mod iterativ distanțele dintre toate punctele care aparțin norilor de puncte și estimează transformarea pentru alinierea celor două seturi de date astfel încât să genereze erori minime.
2.5.4 Georeferențierea
Georeferențierea reprezintă procesul de transformare a rezultatelor scanării din diferite puncte de stație într-un sistem de coordonate unic. Acesta poate fi local sau național.
Fiecare sesiune de scanare generează un nor de puncte a cărui poziție este caracterizată de coordonatele x, y și z într-un sistem propriu (intern) al scannerului. Deoarece majoritatea scanărilor se efectuează din mai multe stații, este necesar ca acestea să fie raportate într-un sistem unic de coordonate local, național sau global.
După cum s-a vorbit în subcapitolul anterior, Registrația poate fi considerată o fază preliminară a georeferențierii, dar există și cazuri în care aceasta este asimilată cu georeferențierea, atunci când registrația norilor de puncte individuali se realizează direct în sistemul de coordonate extern.
Practic, nu există o delimitare decisivă între aceste două operații. Georeferențierea care se efectuează în faza de post-procesare poate fi evitată, pe când Registrația trebuie executată în mod obligatoriu.
2.5.4.1 Georeferențierea directă
Putem spune că efectuăm georeferențiere directă atunci când staționăm într-un punct de coordonate cunoscute și vizăm o țintă de vizare amplasată deasupra altui punct de coordonate cunoscute. Această metodă implică utilizarea unui scanner și a unor ținte ce permit centrarea și calarea. Din punct de vedere topografic, această metodă seamănă cu metoda drumuirii înlocuind jalonul cu ținte de vizare și teodolitul (sau stația totală) cu scannerul laser. Coordonatele punctelor de sprijin se pot determina folosind metode clasice sau tehnologie GNSS.
Printre avantajele acestei tehnici se numără reducerea numărului de ținte, eliminarea etapei de stabilire a distribuției acestora în spațiul obiect și o eficiență ridicată față de georeferențierea indirectă.
2.5.4.2 Georeferențierea indirectă
Georeferențierea indirectă presupune utilizarea țintelor de vizare dar și a unor puncte de coordonate cunoscute, amplasate în aria de scanare și pe spațiul obiect. Pentru a realiza georeferențierea indirectă avem nevoie de puncte omoloage (puncte de constrângere) sau obiecte de forme geometrice elementare. Astfel, la fiecare scanare trebuie asigurată vizibilitatea spre minim trei puncte de coordonate cunoscute. Acestea pot fi ținte de vizare sau sferice. Coordonatele acestor puncte pot fi obținute folosind metode cunoscute: măsurători clasice cu stații totale sau utilizând tehnologii GNSS.
Modelul funcțional este dat de relația
Xe = X0 + m * Rie* Xi;
Sau matricial:
unde:
– Xe și Xi sunt vectorii coordonatelor punctelor în sistemul extern (e), respectiv în sistemul intern al scannerului (i);
– X0 este vectorul translațiilor;
– m este factorul de scară;
– Rie este matricea de rotație dintre cele două sisteme de coordonate caracterizată de unghiurile de rotație în jurul celor trei axe de coordonate.
Dacă sunt trei sau mai multe puncte comune, cei șapte parametri ai transformării Helmert pot fi determinați folosind metoda celor mai mici pătrate.
După compensare, valorile provizorii ale parametrilor de transformare sunt utilizate la georeferențierea norilor de puncte, conform modelului funcțional. Precizia cu care este efectuată georeferențierea este influențată semnificativ de precizia de determinare a coordonatelor acestor puncte.
Ca orice rețea geodezică, punctele trebuie să se supună anumitor criterii de amplasare. Ideal este ca acestea să fie repartizate uniform în spațiul de scanare realizând o geometrie optimă.
Procedeul se aseamănă cu modulul freestationde la stațiile totale unde punctul de stație este ales astfel încât să permită vizibilitatea spre cât mai multe puncte vechi (în cazul nostru ținte de vizare) astfel încât să fie posibilă determinarea coordonatelor punctului de stație.
2.5.4.3 Aspecte privind Registrația și Georeferențierea
Experiențele practice au scos la iveală o serie de recomandări privind efectuarea operațiilor de Registrație și Georeferențiere. Acestea sunt:
– la efectuarea Registrației sau Georeferențierei, trebuie să existe certitudinea că valorile erorilor reziduale ale întregului proces sunt cel puțin egale cu precizia geometrică necesară produsului finit;
– calculul preciziei necesară la efectuarea măsurătorilor sau calculele de precizie rezultate procesului de Registrație și Georeferențiere sunt obligatorii și fac parte din raportul final;
– dacă se realizează Registrația sau Georeferențierea indirectă atunci fiecare scanare trebuie să conțină cel puțin patru puncte (sau ținte de vizare de control). Acest aspect este util în minimizarea erorilor survenite la măsurarea țintelor de vizare determinând și relațiile geometrice între două seturi de date corespondente unei optimizări;
– țintele de vizare artificiale nu trebuie amplasate în locuri unde ar putea obtura detalii importante ale obiectului scanat;
– țintele de vizare artificiale să nu fie prea mari pentru a obtura spațiul obiect;
– să se evite (pe cât posibil) utilizarea țintelor naturale întrucât rezultatele registrației sunt slabe din punct de vedere al preciziei, comparativ cu uzul țintelor artificiale;
– raportul final trebuie să includă și imagini fotografice ale detaliilor neregulate din datele de scanare cauzate de crăpături sau detalii de pe obiectul scanat care ar putea fi interpretate greșit în procesul de registrație;
– dacă țintele de vizare sunt scanate sub un unghi foarte ascuțit, nu pot fi folosite funcțiile de recunoaștere automată a țintei întrucât acestea ar duce la rezultate slabe;
– software-ul folosit poate fi adaptat la tipul de ținte de vizare utilizate. Unele ținte netede retro-reflective pot genera un efect Halo produs de cantitatea mare de energie laser returnată de țintă în vecinătatea centrului acestuia. Software-ul poate reduce setul de reveniri către centrul țintei folosind (spre exemplu) compensarea intensității pentru reveniri individuale.
Capitolul 3
3.1 Studiu de caz – Mausoleul Hope Abbey
3.1.1 Introducere
În acest studiu de caz, va fi abordată problema scanării unei clădiri complexe (atât în exterior cât și în interior), registrația acesteia, prelucrarea datelor și modelarea bidimensională și tridimensională.
Obiectivul este amplasat în orașul Eugene, Oregon din Statele Unite ale Americii la intersecția străzii 26 cu strada University numărul 25 (44o 53’’ N și 123o 24’’ V). Acesta a fost construit în anul 1859 și se numără printre cele mai vechi entități istorice private din statul Oregon, înscris în Registrul Național al Monumentelor Istorice în 1980.
Scopul scanării este unul didactic și a servit ca un proiect pentru studenții din Universitatea din Oregon, privind întreținerea monumentelor.
3.1.2 Planificarea ședințelor de scanare
Scopul final al acestei lucrări este de a oferi măsurători exacte privind monumentul și de a obține relevee la diferite cote ale clădirii. Utilizând scanării laser s-a putut oferi o bază de date geometrică din care se pot extrage informații.
Având in vedere că trebuie scanat interiorul și exteriorul, faza de documentare la fața locului va fi împărțită în două.
1. Interiorul
Interiorul mausoleului are o formă complexă compusă din 3 holuri și câteva încăperi. Datorită formei complexe, sunt necesare mai multe stații de scanare la distanțe relativi mici una față de cealaltă (cca. 3-5m). Din punct de vedere al obstrucțiilor, nu sunt impedimente prea mari datorită formei liniare și regulate a clădirii.
Figura 3.27 – Imagine panoramică a interiorului mausoleului
Sunt disponibile mai multe prize pe coridoarele mausoleului; acestea pot fi folosite pentru alimentarea cu curent electric al laptopului dar și a scannerului.
2. Exteriorul
Mausoleul se află în zona de Sud-Est a orașului Eugene la intersecția străzii 26 cu strada University numărul 25. Accesul la mausoleu se face pe un drum forestier de cca. pe care sunt parcate niște mașini (în momentul scanării, acestea au fost mutate în afara zonei fațadei). Fațada principală este obstrucționată vizual de niște arbuști dar gradul de acoperire este sub 25%.
Nu există acces direct către o priză, deci se vor folosi acumulatorii scannerului și cel al laptopului.
Figura 3.28 – Exteriorul Mausoleului
3.1.2.1 Alegerea tehnicii de măsurare
Cu privire la tehnica corectă de măsurare, trebuie avut în vedere un anumit număr de considerente.
În primul rând, analizând geometria mausoleului, putem face unele previziuni privind costul, timpul și precizia tehnicii de măsurare. Având mai multe stații de efectuat, scanările vor trebui ulterior integrate într-un singur sistem de coordonate; datorită cerințelor beneficiarului, această lucrare nu va trebui transcalculată în sistemul național, deci georeferențierea este exclusă.
Fiecare stație trebuie să aibă vizibilitate către cel puțin trei puncte de control pentru a putea face posibilă registrația. Datorită formei și naturii obiectivului se vor folosi doar ținte sferice.
În al doilea rând, printre produsele finale se numără și planuri și secțiuni bidimensionale. Mausoleul reprezintă o structură medie din punct de vedere al mărimii, dar tot este de dorit a se obține cât mai multe măsurători din cât mai multe locuri posibile. De regulă structurile antropice au forme regulate dar pentru estetizare s-au folosit și forme organice, neregulate, care sunt dificil de măsurat prin tehnici tradiționale.
Trecând în revistă aceste considerente, se justifică alegerea scanării laser pentru acest gen de lucrare când este nevoie de măsurători precise ale datelor deoarece scanarea laser este o tehnică de măsurare la distanță cu un grad ridicat de acuratețe și rezoluție.
Datele astfel obținute pot fi folosite ulterior pentru crearea imaginilor 3D virtuale dar și pentru a ilustra măsurile care au fost luate pentru renovarea mausoleului. Efectuând măsurători repetate, intervine și a patra dimensiune permițând măsurarea posibilelor deformații sau deplasări.
Fiind o tehnică de măsurare la distanță, scanarea laser în acest caz are următoarele avantaje:
– nu este nevoie de un contact direct cu structura, minimalizând astfel riscul de deteriorare;
– tot din același motiv, nu este nevoie de schele pentru a măsura platforma, schele ce ar putea deteriora structura;
– scanarea laser oferă date precise la rezoluții înalte oferind astfel informații cu privire la unele elemente de structură.
După cum am vorbit în primul capitol, majoritatea scannerelor folosesc laseri ce intră în categoria 3R, adică inofensivi pentru o expunere scurtă. Cu toate acestea este recomandată evacuarea personalului pentru a evita accidentele de muncă dar și pentru a nu crea obstrucții.
3.1.2.2 Alegerea și programul scannerului
Procesul de scanare se va desfășura în două etape: scanarea interiorului și a exteriorului. Foarte important este legarea celor două lucrări astfel încât toate scanările să fie așezate în același sistem de coordonate.
Având in vedere că în cele două etape de scanare distanța maximă nu depășește se poate folosi același instrument.
Luând în calcul aceste considerente, s-a decis folosirea laser scannerului Leica ScanStation C10.
Figura 3.29 – Leica ScanStation C10
Tabel 3.4 – Specificații tehnice Leica ScanStation C10
1. Interiorul
Scanerul trebuie să fie capabil să scaneze o vedere panoramică de 360o iar raza maximă de 20-. Acuratețea trebuie să fie foarte bună (de 5-) deoarece informațiile vor fi folosite pentru calculul siguranței structurii. Având în vedere că lucrarea se desfășoară înăuntru, nu se va pune problema influenței temperaturii, umidității sau a factorilor externi (vânt, soare).
2. Exteriorul
Scanarea exteriorului se va face din două puncte distincte și va consta în trei sesiuni de scanare. Din stația numărul doi se vor face două înregistrări, astfel: prima cu ușile mausoleului închise și a doua cu ușile deschise. S-a ales această cale din două motive: primul este acela că se dorește scanarea integrală a fațadei și al doilea ca să permită vizarea țintelor sferice din interior, permițând legarea scanărilor din exterior cu cele din interior.
Nu este nevoie de o vedere complet panoramică deoarece nu este necesară scanarea împrejmuirilor. Cu toate acestea, scannerul trebuie să fie capabil să scaneze o vedere largă de cca. 100g orizontal și 50 – 60g vertical.
Rezoluția scannerului nu are o importanță prea mare deoarece exteriorul nu prezintă structuri foarte detaliate; cu toate acestea, se va cere o rezoluție potrivită pentru a evita discontinuitățile suprafețelor. Atât rezoluția cât și precizia pot fi afectate de variații ale temperaturii, vântului și presiunii atmosferice.
3.1.3 Achiziționarea datelor
Înainte de a începe procesul de scanare, trebuie planificate cu atenție pozițiile scannerului astfel încât să acopere o suprafață cât mai mare a spațiului obiect dar să și permită vizibilitatea către ținte.
În ziua scanării, accesul publicului a fost restricționat iar eventualele obstrucții au fost îndepărtate.
3.1.3.1 Exteriorul
Datorită obstrucțiilor, s-a ales să se scaneze doar fațada principală a mausoleului, adică fațada dinspre Vest, după cum se poate vedea din imaginea următoare.
Figura 3.30 – Vederea de ansamblu al mausoleului
Cu toate că se cere modelul 3D al monumentului, fațadele care nu au fost scanate din exterior vor putea fi deduse din scanările preluate din interior, cunoscând grosimea pereților.
3.1.3.2 Interiorul
Pentru a scana interiorul, au fost necesare în total șapte stații luându-se în considerare obstrucțiile majore, după cum se poate vedea în schița următoare:
Figura 3.31 – Schița amplasamentului stațiilor în interior
Dacă sunt obstrucții, acestea pot fi eliminate adăugând alte poziții de scanare astfel încât scannerul să poată vedea părțile obstrucționate. Acest lucru se realizează astfel încât să nu se omită mai mult de 50% din alte scanări, decât dacă este necesar să se înlăture toate părțile obstrucționate.
După cum se poate vedea din schiță, stațiile 4, 5 și 6 au fost efectuate din holul principal, iar stațiile 7, 8, 9 și 10 din holurile secundare, transversale pe cel principal.
3.1.4 Prelucrarea datelor
Premergător operației de prelucrare a datelor, este imperativ să se înlăture scanările care sunt bănuite de a avea impurități (siluete umane pe raza de scanare sau din jurul scannerului, fapt ce declanșează vibrații etc.). În cazul în care se constată că unele scanări sunt atinse de impurități, acestea vor fi eliminate iar stația respectivă va fi scanată din nou.
După ce se constată că toate operațiile privind preluarea datelor au fost încheiate cu succes, trecem la etapa următoare, și anume Prelucrarea datelor.
După cum s-a precizat și în Capitolul 2.2, software-ul folosit este Leica Cyclone 6.0.2. Primii pași ce trebuie parcurși sunt:
– se deschide Cyclone;
– se adaugă baza de date apăsând butonul 2 al mouse-ului pe icon-ul nepartajat din lista de servere, (Imaginea a) după care se selectează fișierul din care trebuie extrasă baza de date (Imaginea b). Formatul standard sub care lucrează Cyclone este .imp.
Figura 3.32 – Introducerea bazei de date
a – selectarea serverului
b – selectarea fișierului
După ce baza de date a fost importată, aceasta apare în lista bazei de date în Cyclone Navigator. Pentru a verifica datele, se apasă pe icon-ul + deschizând astfel mai multe subniveluri. Fiecare stație scanară generează un Scanworld salvat sub denumirea de „Statie”. Fiecare Scanworld conține patru părți:
– ControlSpace: conține datele obținute din scanarea brută. Acest fișier este utilizat în toate calculele (spre exemplu în registrație și georeferențiere);
– ModelSpace: este o copie a ControlSpace care permite vizualizarea spațiului de control la un moment dat. Nu pot exista mai multe ModelSpace-uri efectuate în diferite momente de la un singur ControlSpace.
– Scans: conține fiecare scanare separată;
– Images: conține imaginile făcute de camera digitală integrată în scanner și ajută la setarea câmpului de vedere a scannerului.
Figura 3.33 – Conținutul fiecărei scanări
3.1.5 Registrația
Datorită numărului relativ redus de stații, registrația interiorului se va face concomitent cu registrația exteriorului. Știm din Capitolul 2.4.3 că registrația se poate face direct sau indirect. În cazul nostru, având doar ținte de vizare, registrația va fi indirectă. Înainte de a începe operația de registrare, trebuie să ne asigurăm că țintele de vizare au fost recunoscute și etichetate astfel încât registrația să se producă cu un grad mare de automatizare. În continuare, vom aborda în studiul de caz registrația folosind țintele artificiale și registrația utilizând ținte naturale și vom compara rezultatele.
Etapele registrației automate:
1. Verificarea recunoașterii automate a țintelor artificiale
De cele mai multe ori țintele de vizare artificiale sunt recunoscute în mod automat de către componenta software datorită gradului ridicat de retro-reflexivitate, dar sunt și cazuri când, datorită condițiilor din teren sau a altor factori (obstacole, praf etc.) acestea nu sunt recunoscute. În aceste situații, țintele artificiale trebuie căutate în ModelSpace, selectate și apoi introduse manual. Identificarea și introducerea manuală a acestora nu este suficientă întrucât software-ul atribuie în mod automat un cod, drept urmare trebuie să găsim aceiași țintă preluată din altă stație în care recunoașterea a fost efectuată automat, înregistrat codul și apoi introdus în ținta artificială din stația inițială.
Pentru a efectua această verificare, deschidem ModelSpace-ul „Stația și dăm clic dreapta pe „Stația 1” și selectăm „Create and open ModelSpace” (Figura 3.34).
Figura 3.34 – Crearea ModelSpace View
Se va deschide automat altă fereastră în care putem vizualiza norul de puncte. Știm că prima stație de scanare conține vize către trei ținte artificiale, dar după o inspecție constatăm că acestea nu au fost identificate automat. Pentru identificarea manuală avem mai multe metode.
Prima metodă constă în selectarea unui punct de pe țintă. Pentru a ne deplasa mai aproape de țintă astfel încât să marcăm punctul, este necesară o familiarizare cu spațiul de lucru. Centrul spațiului de lucru este marcat de o cruciuliță ce permite pivotul în jurul acesteia folosind butonul 1 al mouse-ului. Apăsând pe butonul 3 (scroll), și mișcând mouse-ul înainte și înapoi, putem utiliza funcția de zoom al softului.
După ce am identificat ținta, apăsăm pe butonul „s” de la tastatură și dăm clic pe țintă (Figura 3.36). Astfel se schimbă punctul de perspectivă ce va fi centrat pe țintă.
Figura 3.35 – Căutarea țintei
După ce am ajuns in proximitatea țintei, observăm ca această este colorată diferit față de mediul înconjurător deoarece atunci când raza laser atinge o suprafață, oferă pe lângă informațiile privind distanța și informații privind refractivitatea obiectului.
Figura 3.36 – Țintă de vizare în ModelSpace
Pentru a înregistra ținta, din bara de lucru selectăm Pick Mode și selectăm un punct aflat pe suprafața țintei (Figura 37 – a). Din meniul Create object selectăm Fit to cloud și apoi Sphere Target. O nouă fereastră va apărea în care ni se cere completarea cu atributele ID (identificatorul țintei), Comment (dacă se dorește adăugare unui comentariu) și Height (înălțimea țintei măsurate de la sol la centrul geometric al sferei) (Figura 3.37 – b). După completarea acestor atribute, se apasă pe butonul Ok și ținta va fi înregistrată (Figura 3.37 – c).
Figura 3.37 – Identificarea manuală a țintei folosind un punct
A doua metodă constă în construirea unui poligon în jurul țintei. Acest lucru se realizează selectând din bara de lucru modulul de construire a unei împrejmuiri – Fence mode. Aici avem de ales între Polygonal Fence, Rectangular Fence și Circular Fence. Indiferent de modulul ales, trebuie să construim o figură geometrică suficient de mare ca să acopere ținta. După ce centrăm pe sferă folosind Seek Mode, desenăm cu ajutorul modulului Polygonal Fence un poligon în jurul țintei (Figura 3.38 – a). După ce finalizăm poligonul apăsăm pe butonul 2 al mouse-ului și selectăm Fence apoi Select Fence (Figura 3.38 – b). Din meniul Create object selectăm Fit tocloud și apoi Sphere Target (Figura – c) după care apare fereastra care ne cere atributele legate de țintă (Imaginea 3.37 b). După completarea acestor atribute, se apasă pe butonul Ok și ținta va fi înregistrată (Figura 3.38 – d).
Figura 3.38 – Identificarea manuală a țintei folosind un poligon
Există situații când Cyclone nu poate recunoaște ținta datorită unor suprapuneri ale punctelor de pe suprafața sferei cu alte puncte aparținând mediului înconjurător. În aceste cazuri, punctele ce alcătuiesc ținta trebuie izolate. Pentru a realiza acest lucru din meniul View selectăm funcția Set limit box byfence. Astfel va fi creat un paralelipiped dreptunghic ce va izola punctele din interiorul său, a cărei dimensiune va putea fi modificată. Având setul de puncte izolat, putem înregistra manual ținta folosind una din cele două metode.
Figura 3.39 – Crearea Limit box
2. Crearea fișierului de registrație
După ce am încărcat baza de date și am verificat integritatea datelor, trebuie creat un nou fișier ce va conține registrația. Pentru a realiza acest lucru, dăm clic dreapta pe fișierul HopeAbbey ce conține toate ScanWorld-urile și selectăm Create apoi Registration (Figura 3.40 – a). Observăm că a fost creat un nou fișier numit Registration 1; acesta va fi fișierul în care toate cele zece scanări vor fi fuzionate într-unul singur (Figura 3.40 – b).
Figura 3.40 – Crearea fișierului de registrație
Odată ce fișierul a fost creat, facem dublu clic pentru a deschide dialogul de registrație. Aici găsim 3 tab-uri principale:
– ScanWorld’s Constraints: permită adăugarea ScanWorld-urilor;
– Constraint List: afișează constrângerile pe țintele artificiale detectate;
– ModelSpace: afișează modelul spațial nou creat.
Fereastra de dialog a registrației este explicată în imaginea următoare:
Figura 3.41 – Fereastra de dialog a proiectului de registrație
3. Încărcarea ScanWorld
Pentru a adăuga scanările efectuate, selectăm tab-ul ScanWorld’s Constraints și selectăm din meniul ScanWold funcția Add ScanWorld… . În fereastra nou deschisă, trebuie selectate stațiile ce vor intra în procesul de registrație. După ce se selectează toate stațiile cu ajutorul mouse-ului, apăsăm pe butonul >> după care pe OK.
Figura 3.42 – Selectarea stațiilor pentru registrație
4. Adăugarea constrângerilor
După ce au fost introduse toate stațiile în procesul de înregistrare, trebuie setată una dintre acestea ca stație de referință – Home ScanWorld. Asta înseamnă că toate celelalte stații vor fi registrate utilizând sistemul de coordonate al acestei stații. Pentru a face acest lucru, selectăm tab-ul ModelSpaces, apăsăm clic dreapta pe stația care dorim să fie de referință și selectăm Set Home ScanWorld.
După aceste două operații, pot fi adăugate constrângerile manual (lucru ce ar lua mult timp) sau automat. Vom studia problema adăugării constrângerilor automat. Constrângerile constau în relațiile matematice stabilite între sistemele de coordonate corespondente fiecărei stații în raport cu țintele. Cunoscând aceste relații și calculând necunoscutele din acestea putem, pe baza constrângerilor, transcalcula coordonatele fiecărei stații individuale în sistemul stației de referință.
În etapa anterioară s-au înregistrat țintele de vizare din fiecare stație. Softul este capabil să calculeze coordonatele centrului sferei în fiecare stație iar prin folosirea comenzii Auto-add constraints din bara de lucru, acesta va încerca să găsească corespondente între obiectivele artificiale.
La finalului acestui proces, poate să apară o căsuță de avertizare anunțând că este posibil ca un număr de constrângeri să fi fost etichetate greșit sau eronat, dând o idee asupra obiectivelor care ar putea fi greșite. În cazul nostru, Cyclone a considerat că obiectivul T4 din stația 5, 7 și 8 ar trebui reverificate.
Figura 3.44 – Avertizarea privind adăugarea constrângerilor
Momentan apăsăm pe butonul Close pentru a închide această avertizare. În căsuța ConstraintList se află toate constrângerile care au fost detectate automat de software. Coloana care indică eroarea de coincidență este completată cu n/a (not avaible) însemnând că software-ul încă nu a calculat erorile.
5. Detectarea erorilor
O dată cu efectuarea registrației, erorile vor fi calculate. Aceste erori ne interesează pentru că vor sta la baza calculării erorii de determinare a modulului 3D. Din meniul Registration folosim comanda Register. După îndeplinirea comenzii, coloana de erori este populată și observăm ca a fost adăugată și coloana conținând Vectorul erorilor (Error Vector). Pentru a fi mai ușor să înțelegem amplitudinea erorilor, putem să le ordonăm descrescător dând clic pe titlul coloanei de erori. Astfel observăm că unele constrângeri generează erori serioase în măsurători și, dacă este necesar, ele trebuie corectate manual.
Figura 3.45 – Erorile constrângerilor
Observăm că primele 5 au o măsură a erorilor de mai mult de un metru, numitorul comun fiind Ținta 4 din Stația 8. Dacă dăm dublu clic pe una din aceste constrângeri, Cyclone va deschide ScanWorld-urile implicate.
6. Remedierea erorilor
Obiectivele trebuie reverificate cu grijă direct. Pentru a verifica toate constrângerile legate de Ținta 4, din Stația 8 vor fi dezactivate. Realizăm acest obiectiv selectând constrângerile cu pricina, dăm clic dreapta și selectăm Disable. După dezactivarea câtorva constrângeri, efectuăm registrația din nou. Astfel constrângerile vor fi verificate din nou și putem vedea că cea mai mare valoare a constrângerilor rămase active nu depășește .
În Cyclone Navigator redeschidem ScanWorld-ul corespunzător Stației 8 și verificăm Țintele 4, 7 și 9. Cum ținta 4 are eroarea cea mai mare, aceasta va fi prima investigată. Comparând schița efectuată pe teren cu datele din Cyclone, observăm ca a fost făcută o eroare de etichetare a țintei, mai exact ținta T5 a fost marcată drept ținta T4. Pentru a schimba această etichetă, deschidem din nou Registrația, selectăm prima constrângere, dăm clic dreapta și selectăm apoi Add/Edit RegisterLabel… Se va deschide o nouă fereastră în care putem schimba eticheta (Figura 3.46).
Figura 3.46 – Schimbarea etichetei
După remedierea problemei cu ținta T4, se reface registrația și se verifică erorile. De data aceasta eroarea maximă este de 0.011 m adică 1.1 cm, eroare ce se consideră a fi în parametrii optimi. Putem verifica eroarea absolută a registrației selectând din meniul Registration funcția Show Diagnostics… . Aici întâlnim o eroare absolută de care se încadrează în limitele de precizie pentru o asemenea lucrare.
Figura 3.47 – Diagnosticul registrației
7. Adăugarea constrângerilor setului de puncte
Adăugarea constrângerile setului de puncte ajută la optimizarea registrației și se efectuează pentru adăugarea redundanței între stații care au nori de puncte suprapuse. Adăugând constrângerile setului de puncte se face selectând din meniul CloudConstraint funcția Auto-AddCloud Constraints (Figura 3.48).
Figura 3.48 – Auto-adăugarea constrângerilor
Cyclone va începe automat să analizeze seturile de puncte în vederea adăugării constrângerilor, întregul proces putând dura 5-10 minute. Procesul este iterativ și pe parcursul lui va fi afișată o histogramă. Histograma trebuie să arate ca o funcție în descreștere bruscă în loc de o funcție în descreștere lentă (Figura 3.49). După câteva iterații este găsit un număr mare de puncte cu mai multe valori de eroare. Dacă una din acestea nu evoluează astfel încât eroare să scadă, atunci cel mai probabil este eronată.
Figura 3.49 – Procesul de auto-adăugare a constrângerilor
a – după 3 iterații, b – după 26 iterații
După ce procesul este finalizat, Cyclone va afișa un raport al tuturor constrângerilor setului de puncte adăugate precum și valorile lor de eroare. Au fost adăugate în total 28 de constrângeri.
Figura 3.50 – Rezultatul aliniamentului setului de puncte
8. Verificarea preciziei
După adăugarea constrângerilor este foarte important să verificăm precizia cu care a fost realizată registrația. În meniul Registration selectăm Show Diagnostics afișând astfel un raport privind eroarea absolută. În raportul generat și salvat în fișierul Registration HA.txt observăm că eroarea absolută este de , valoare ce se încadrează în limitele de precizie.
Erorile privind constrângerile individuale nu depășesc în cazul constrângerilor auto-adăugate și pentru cele realizate prin țintele artificiale.
9. Crearea modelului spațial din registrație
Ultimul pas în procesul de registrație constă în blocarea și crearea unui nou ScanWorld conținând pachetul complet de seturi de puncte înregistrate. Aceasta se realizează din meniul Registration – Create ScanWorld/Freeze Registration. Comanda aceasta blochează registrația astfel încât nu se mai poate schimba nimic. Înainte de acest pas, trebuie să ne asigurăm că registrația a fost efectuată în limitele de precizie.
După blocarea registrației, selectăm din meniul Registration funcția Create and Open ModelSpace pentru a crea un nou ModelSpace ce conține setul complet de puncte și pentru a le afișa într-o fereastră.
3.1.5 Prelucrarea datelor
3.1.5.1 Alegerea sistemului de coordonate
Înainte de a începe prelucrarea efectivă a norului de puncte, trebuie efectuate câteva operații preliminarii. Printre acestea putem număra alegerea unui sistem de coordonate și filtrarea punctelor.
Știm din capitolele anterioare că registrația va uni toate scanările din stații într-un sistem unitar. Acest sistem este cel pe care l-am ales ca stație de referință în etapa de registrație. Cu toate acestea, pentru a ușura prelucrarea, putem schimba sistemul de coordonate astfel încât cele două axe ce țin de planimetrie (OX și OY) să fie în prelungirea pereților unei camere.
Pentru a alege noul sistem de coordonate, trebuie să căutăm un colț al unei camere în care să nu existe obstacole. Este dificil de lucrat cu totalitatea punctelor, de aceea vom limita vizibilitatea doar pentru o singură zonă. Realizăm acest lucru din meniul View Set funcția Limit Box by Cursor. După ce identificăm zona propice pentru stabilirea noului sistem de coordonate creăm restricția de vizibilitate a norului de puncte (Figura 3.51).
Figura 3.51– Selectarea Limit box-ului
a – vedere de ansamblu; b – vedere laterală
Ajustăm apoi Limit box-ul astfel încât să „tăiem” tavanul și să obținem o secțiune transversală a întregii clădiri (Figura 3.52 – a). După ce ne-am hotărât la colțul în care dorim să inserăm noul sistem de coordonate, restrângem Limit box-ul în zona respectivă (Figura 3.52 – b).
Figura 3.52 Crearea Limit box-ului
a – Crearea secțiunii transversale; b – Alegerea colțului pentru noul sistem de coordonate
Vom crea apoi un alt Layer ce va conține noul sistem de coordonate. Din meniul View selectăm Layers. Se va deschide o nouă fereastră de catalog în care vom da clic pe butonul New. Astfel va fi creat un nou Layer pe care îl vom redenumi SC și bifăm Set Current (Figura 3.53).
Figura 3.53 – Crearea noului layer
Pentru a seta axele noului sistem de coordonate, trebuie să parcurgem următorii pași:
1. Selectăm peretele care va conține noua axă, dăm clic dreapta selectăm Region Grow apoi Patch (Figura 3.54 – a). Se va deschide o nouă fereastră de dialog, în care vom bifa OK (Figura 3.54 – b). Rezultatul constă într-o suprafață plană verticală (Figura 3.54 – c).
Figura 3.54 – Crearea sistemului de coordonate
2. Procedăm la fel și pentru perete perpendicular pe primul (Figura 3.55 – a) și pentru podea (Figura 3.55 – b).
Figura 3.55 – Crearea sistemului de coordonate
3. Unim cele trei zone umplând golurile dintre ele prin selectarea lor, folosind funcția Extend All Objects din meniul butonului 2 al mouse-ului (Figura 3.56)
Figura 3.56 – Unirea celor 3 zone
4. Setăm originea noului sistem introducând un vertex la intersecția celor 3 zone. Având cele 3 zone selectate, selectăm din meniul Create Objects – From Intersections – Vertex (Figura 3.57 – a). Selectăm apoi vertexul nou creat, și din meniul View – Coordonates System selectăm Set to Object. (Figura 3.57 – b).
Figura 3.57 – Setarea originii
5. Setarea axelor noului sistem se face selectând cei doi pereți și folosind funcția View – Coordonate System – Set usingTwoAxes – X and Y. Astfel a fost creat un nou sistem de coordonate.
Figura 3.58 – Noul sistem de coordonate
3.1.5.2 Filtrarea punctelor suplimentare
În urma scanării au fost scanate mii de puncte care nu aparțin spațiului obiect. Pentru a folosi mai eficient spațiul de stocare, este recomandat ca aceste puncte să fie eliminate.
Eliminarea punctelor suplimentare se face construind un poligon în jurul punctelor monumentului folosind funcția Fence (Figura 3.59). Este recomandat să se facă o verificare amănunțită asupra zonei care va trebui filtrată.
Figura 3.59 – Selectarea zonei
Dăm clic dreapta și selectăm din fereastra de dialog Fence – DeleteOutside. Astfel punctele din afara poligonului vor fi eliminate (Figura 3.60).
Figura 3.60 – Norul de puncte filtrat
3.1.5.3 Extragerea releveelor
După filtrarea datelor suplimentare putem începe prima operație din obiectivul scanării și anume extragerea releveelor. Primul pas în realizarea releveelor este izolarea zonei de lucru. Realizăm acest lucru prin crearea unui Limit box pe zona de interes. Selectăm privirea de sus din bara de lucru iar din meniul View selectăm Set Limit Box by Cursor și desenăm un Limit box astfel încât să cuprindă tot monumentul (Figura 3.61 – a). Pentru a obține releveul pereților, trebuie să ne asigurăm că Limit box-ul delimitează și pe înălțime astfel încât să rămână doar o secțiune transversală a acestora (Figura 3.61 – b și Figura 3.61 – c).
Figura 3.61 – Fixarea Limit box-ului
a – Vedere de sus; b – vedere din față; c – vederea din lateral
Deoarece beneficiarul dorește relevee la diferite cote (la nivelul pardoselii, la 1 metri față de aceasta și la nivelul tavanului), vom seta înălțimea Limit box-ului la diferite cote. Începem cu extragerea releveului la nivelul pardoselii și setăm Limit box-ului astfel încât acesta să secționeze doar un mic strat de deasupra acesteia (Figura 3.62).
Figura 3.62 – Secțiunea pardoselii
Din meniul View selectăm Layer și creăm un nou strat numit „Releveu”. Acesta va conține informația planimetrică privind structura mausoleului. Urmează apoi crearea unui plan orizontal la nivelul podelei care va servi ca o proiecție pentru poliliniile ce vor alcătui releveul. Realizăm acest lucru selectând un punct din podea și apoi activăm funcția Set Plane At Origin Pick Point din bara de lucru, permițând apariția planului de referință (Figura 3.63).
Pentru a crea suprafața de desenare, din meniul Tools selectăm Cutplane – Set form activ Ref Plane. Acum toată lucrarea va fi izolată către acest plan. Existând riscul ca să înclinăm imaginea în timpul extracției, vom bloca mișcarea de rotație folosind funcția Disable View Point Rotation din bara de lucru . Putem de asemenea bloca mișcarea în plan orizontal și zoom-ul din cele trei butoane .
Releveele le vom desena selectând 2D Drawing Tool împreună cu funcția Draw Poligon din bara de lucru. Acum operația de extragere a releveelor seamănă cu o operație de vectorizare. Trebuie acordată o atenție deosebită vertexilor care vor fi conținuți în conturul poligonului.
Începem vectorizarea interiorului de la colțul stânga sus. Atunci când trebuie să mutăm punctul de vedere, selectăm View Mode din bara de lucru și apoi din nou cele două unelte.
Figura 3.63 – Crearea poliliniilor 2D
Pentru a exporta această polilinie într-un fișier DWG, selectăm din File – Export. Se va deschide o nouă fereastră în care trebuie să indicăm numele și formatul sub care dorim să-l salvăm. În cazul nostru fișierul se va numi Releveu iar formatul sub care va fi salvat va fi dxf. Va apărea o nouă fereastră în care vom fi întrebați ce dorim să exportăm. În cazul nostru, bifăm Selected și apoi apăsăm pe Ok.
Figura 3.64 – Exportul poliliniei
Lansăm aplicația AutoCad 2010. Acesta este creat de firma americană Autodesk și reprezintă un software de desenare CAD (Computer Aided Design). Acesta se numără printre cele mai utilizate soft-uri de acest gen iar interfața lui este ușoară și permite un control integrat al comenzilor.
Figura 3.65 – Interfața soft-ului AutoCad
Datorită modului de lucru în Cyclone și a imposibilității de a folosi o funcție care să asigure liniaritatea releveului, în Autocad 2010, vom corecta releveul astfel încât acesta să fie ortogonal.
Figura 3.66 – Releveul exportat în Autocad 2010
După cum se poate observa în imaginea următoare, acest colț nu este perfect ortogonal (Figura 3.67 – a). Pentru a corecta acest lucru, vom folosi niște construcții auxiliare și anume niște linii orizontale și verticale. Ne asigurăm că funcția Polar Tracking este selectată și folosind comanda Line desenăm o linie perfect orizontală în colțul din stânga sus (Figura 3.67 – b). Colțul poliliniei verde îl vom deplasa pe verticală până când acesta se va suprapune cu linia auxiliară orizontală
Figura 3.67 – Corectarea releveului
După ce am efectuat această mică ajustare, procedăm la fel pentru următorul colț desenând o linie verticală (Figura 3.68).
Figura 3.68 – Corectarea releveului
Această operație trebuie repetată pentru toate colțurile; unele dintre acestea erau aproape perpendiculare deci nu a mai fost nevoie de ajustare.
Beneficiarul a cerut ca acest releveu să fie și cotat folosind ca unități de măsură metrul. Deoarece considerăm ca acest releveu a fost efectuat la nivelul pardoselii, punem în centrul său semnul convențional pentru cotări pe care trecem notația 0.0.
Urmează să cotăm releveul nou creat. Beneficiarul dorește ca acesta să fie aproximat cu trei zecimale, adică milimetrul rotunjit. Deoarece monumentul a fost construit în sistemul imperial de unități de măsură, este posibil să avem unele cotații neregulate.
Observăm că vom avea de cotat atât distanțe lungi cât și distanțe mici. Pentru a nu aglomera desenul vom face trei tipuri de cotare.
Din panoul de comandă intrăm pe tab-ul Annotate iar la secțiunea Dimentions apăsăm pe săgeata din colțul dreapta jos (Figura 3.69).
Figura 3.69 – Tab-ul Annotate
Se va deschide altă fereastră de dialog în care vom apăsa pe butonul New pentru a crea o nouă adnotație. Apăsând butonul Modify putem schimba caracteristicile noului mod de adnotație (Figura 3.70).
Figura 3.70 – Schimbarea caracteristicilor adnotațiilor
Pentru distanțe mari vom crea un nou stil de adnotare a cotațiilor numit Cotații mari astfel:
– dimensiune text: 0.230 iar stilul acestuia va fi „Times New Roman”;
– săgeți: „Architectural tick” iar dimensiunea acestora de 0.125;
– se vor folosi doar 3 zecimale;
Acest tip de cotație va fi folosit pentru cotații mai mari de 1 metru.
Pentru distanțe mici vom crea un nou stil de adnotare a cotațiilor numit Cotații mici astfel:
– dimensiune text: 0.09 iar stilul acestuia va fi „Times New Roman”;
– săgeți: „Architectural tick” iar dimensiunea acestora de 0.1;
– se vor folosi doar 3 zecimale;
Acest tip de cotație va fi folosit pentru cotații mai mici de 1 m și mai mari de 0.25 m.
Ultimul stil de adnotare va fi pentru distanțe mai mici de 0.25m. acesta se va numi Cotații de detaliu și va fi caracterizat de:
– dimensiune text: 0.075 iar stilul acestuia va fi „Times New Roman”;
– săgeți: „Architectural tick” iar dimensiunea acestora de 0.05;
– se vor folosi doar 3 zecimale iar unitatea de măsura va fi mm;
Cotarea se face relativ simplu: tot din Panoul de control, selectăm din tab-ul Annotate butonul Dimention și apoi alegem ca instrument de cotare Aligend, după care selectăm distanțele ce trebuie cotate. Produsul finit poate fi văzut în următoarea imagine.
Figura 3.71 – Releveul cotat
Documentul DWG este salvat sub denumirea de Releveu 0m.
În continuare, trebuie repetate aceleași operații pentru releveul de la înălțimea de 1 metri și cel din proximitatea tavanului. Pentru realizarea releveului la înălțimea de 1 m ridicăm Limit box-ul la înălțimea corespunzătoare.
Cyclone permite măsurarea elevațiilor relativ la înălțimea scanner-ului folosind comanda Measure – Elevation din meniul Tools dacă în prealabil selectăm un punct de pe suprafața căreia dorim să-i determinăm înălțimea. În cazul nostru, selectăm un punct pe pardosea și accesăm comanda mai sus menționată (Figura 3.72). Observăm că elevația pardoselii este de 0.021m deci va trebui să ridicăm Limit box-ul la înălțimea de 1.021 m.
Figura 3.72 – Elevația pardoselii
Figura 3.73 – Setarea Limit box-ului
Figura 3.74 – Limit box-ul setat la înălțimea de 1.026m
Operațiile care trebuie urmate privind întocmirea acestui releveului sunt aceleași ca la releveul anterior incluzând crearea planului orizontal și vectorizarea secțiunii transversale.
Figura 3.75 – Vederea de sus
După terminarea operațiilor de vectorizare, se vor exporta poliliniile 2D într-un fișier DWG numit Releveu 1m. Deschidem acest fișier și refacem operațiile de a aduce planul ortogonal și apoi îl cotăm.
Observăm că unele cotații s-au schimbat datorită faptului că în interiorul monumentului, la nivelul pardoselii, acesta prezintă unele elemente decorative.
Figura 3.75 – Releveul la înălțimea de 1 m
Ultima cerință privind releveele este de a face unul în aproprierea tavanului. Aceasta la prima vedere nu implică prea multe probleme, dar operațiile de alegere a planului de referință trebuie refăcute. În acest caz, planul de referință va fi tavanul iar releveul va ieși în oglindă.
Setăm Limit box-ul astfel încât acesta să redea o secțiune transversală în zona tavanului.
Figura 3.76 – Secțiunea transversală a tavanului
După efectuarea operațiilor de vectorizare și exportare, verificăm în AutoCad 2010 releveul obținut. Acesta a fost salvat sub denumirea de Releveu tavan.
Figura 3.77 – Releveul tavanului
Urmează apoi completarea lui cu cotații și cota la care a fost efectuat.
Figura 3.78 – Releveul complet
3.1.6 Unirea punctelor
O ultimă etapă ce trebuie efectuată în cadrul prelucrării spațiale a norilor de puncte este unirea punctelor. Aceasta se realizează prin funcția Unify Clouds… din meniul Tools. Această comandă este deseori folosită întru-un ModelSpace ce conține un set de scanări registrate sub un număr mare de puncte pentru a mări performanța dar și aspectul.
Această etapă este greoaie și necesită foarte mult timp și resurse, de aceea este recomandată efectuarea ei pe bucăți. Pentru început din ModelSpace vom selecta folosind funcția Polygonal Fence Mode doar fațada.
Din Cyclone – Navigator apăsăm clic dreapta pe fișierul ModelSpace și selectăm Create and open Model SpaceView (Figura 3.79).
Figura 3.79 – Crearea unui nou ModelSpace
Astfel se va deschide o nouă fereastră conținând setul complet de date din registrație. Înainte de a selecta secțiunea norilor de puncte care vor intra în modelare, trebuie să setăm vizualizarea pe ortografică în loc de perspectivă. Aceasta poate fi realizată utilizând cele 2 icon-uri din bara de lucru și apoi selectăm vederea de sus tot din bara de lucru . Utilizând funcția Polygonal Fence Mode selectăm doar fațada clădirii (Figura 3.80 – a ), apoi apăsăm clic dreapta și selectăm Fence – Delete Outside. După ce am inițializat această funcție, va apărea o fereastră de dialog în care trebuie să ne asigurăm că opțiunea Reduce Cloud: Average Point Spacing nu este bifată. Această funcție șterge punctele izolate aflate la o anumită distanță de restul. (Figura 3.80 – b ). Rotim setul de puncte pentru a obține o vizualizare frontală și apoi înlăturăm punctele nedorite. Rezultatul este afișat în Figura 3.80 – c.
Figura 3.80 – Etapele unirii punctelor
Acum, numărul punctelor a fost semnificativ redus permițând operației de unire a punctelor să se efectueze într-un timp mai redus, fără să consume prea multe resurse.
Odată ce seturile de puncte sunt unificate, putem obține unele informații privind setul de puncte prin meniul Tools – Info – Modelspace Info.
Figura 3.81 – Informațiile legate de modelul spațial
Capitolul 4
4.1 Aplicații practice
Scanarea laser 3D este o tehnologie în curs de dezvoltare și se va perfecționa odată cu evoluția echipamentelor software și hardware. Dacă în ultimul timp tehnologia GNSS a revoluționat tehnicile de măsurare din Geodezie în ultimii ani, putem să ne așteptăm la aceleași rezultate și din partea Scanării Laser Terestre.
Odată cu evoluția tehnologiei, au apărut tot mai multe domenii potențiale de aplicare ale acestei tehnici moderne de măsurare, pornind de la avantajele acesteia: precizie ridicată, timp relativ mic (relativ la volumul uriaș de puncte rezultate), măsurare fără contact, livrarea datelor într-un timp foarte scurt, etc.
Mergând pe această idee, putem remarca un spectru larg de domenii de aplicare ale scanării laser terestre, printre care putem număra:
1. Documentații în inginerie civilă: se observă o tendință de creștere a cererilor pentru scanări laser în acest domeniu deoarece pentru reabilitarea clădirilor aparținând patrimoniului cultural este nevoie de un certificat de urbanism special care să conțină relevee foarte detaliate ale fațadelor.
Figura 4.1 – Scanarea unei clădiri aparținând patrimoniului cultural
2. Industrie: pentru platformele industriale scanarea laser se pretează probabil cel mai bine în cadrul topografiei inginerești. Realizarea unor relevee ale unei rețele de conducte complexe ridică mari probleme în cazul utilizării metodelor clasice, dar dacă se optează pentru scanarea laser, componenta software recunoaște foarte ușor formele cilindrice ale acestora permițând un grad mai ridicat de automatizare în cadrul modelării.
Figura 4.2 – Scanarea unui complex industrial
3. Mine, geologie și construcții subterane: acolo unde tehnicile de topografie minieră sunt dificile, tehnologia scanării intervine și permite crearea unui model 3D cu ușurință.
Figura 4.3 – Scanarea unui complex minier
4. Arhitectură, arheologie, restaurarea site-urilor istorice
Figura 4.4 – Scanarea Colosseumului din Roma, Italia
5. Documentații tehnice privind domeniul criminalistic, reconstituirea accidentelor rutiere etc.: această tehnologie a fost folosită inclusiv pentru rezolvarea unor mistere vechi de câțiva zeci de ani. Probabil cea mai interesantă aplicație în acest domeniu este scanarea Pieței Dealey, Dallas, Texas unde pe data de 22 noiembrie 1963, ora 18:30 (UTC) , al 35-lea președinte american, John Fitzerald Kennedy a fost asasinat. Astfel cunoscând exact locul și unghiul sub care glonțul a ucis președintele, s-a putut calcula exact locul din care acesta a fost tras.
Figura 4.5 – Aplicații în domeniul criminalisticii
6. Alte domenii care mai pot fi amintite sunt:
– managementul construcțiilor;
– monitorizarea structurilor în diverse domenii ale industriei;
– documentații pentru instalații tehnice;
– monitorizarea dezastrelor;
– aplicații în realitatea virtuală;
– planuri urbane;
– etc.
4.2 Stadiul actual al echipamentelor
Tehnologia din ziua de azi a permis realizarea echipamentelor de Scannere complet integrate, care pot fi rapid amplasate în punctele de scanare și ușor de utilizat. Acestea combină scanerul, panoul de comandă, spațiul de stocare și unitatea de alimentare într-o singură piesă.
O nouă caracteristică importantă și foarte utilă a acestor noi sisteme este atașarea receptoarelor GPS și/sau a compensatoarelor INS pentru poziționarea și orientarea directă a scannerului în spațiu.
Tehnologia de scanare laser 3D este într-o continuă dezvoltare, fapt ce duce la apariția de noi îmbunătățiri precum:
– combinarea performanțelor sistemelor care utilizează principiile de măsurare a distanței timp-de-zbor și diferență a fazei într-un singur scanner;
– ținte speciale cu receptoare GPS incorporate făcând astfel posibilă determinarea poziției acestora, fără a mai fi nevoie de stații totale;
– componentă hardware adaptată astfel încât să filtreze omogen norul de puncte.
4.3 Viitorul Scanărilor terestre 3D
Privind viitorul acestei tehnologii, cercetătorii pot face cinci predicții privind utilizarea, design-ul și construcția de astfel de instrumente, bazate pe inovațiile din ultima decadă.
1. Utilizarea sistemelor rapide și eficiente și în alte domenii
Când GPS-urile au început să fie folosite pe scară mondială în 1992, specialiștii în domeniu au constatat că volumul de lucru privind operațiile de teren dar și post-procesarea la birou s-a micșorat considerabil. Spre exemplu măsurătorile o rețea geodezică de triangulație, se putea realiza în câteva zile dacă nu chiar săptămâni, pe când folosirea GPS-urilor reduce acest timp la câteva ore.
Același lucru îl putem spune despre Scanările terestre 3D. Această tehnologie va fi folosită mult mai mult pe viitor în domeniul construcțiilor civile pe măsură ce inginerii acestui domeniu vor realiza că Scanarea laser 3D reprezintă în momentul de față cea mai rapidă metodă de obținere a releveelor, de calcul a volumelor și a cotelor.
Specialiștii estimează că în curând această tehnologie va putea fi folosită inclusiv în trasări unde se va scana în mod automat la interval regulat iar componenta software va compara norii de puncte pentru a detecta schimbările.
2. Preluări video sau Scanări laser?
În mod ironic, una din inovațiile acestei tehnologi, va crește gradul de folosință a telefoanelor mobile decât a laserului.
De mulți ani, fotografiile luate de la distanță mică, au permis realizarea unui model 3D. Utilizând această tehnologie de către specialiștii din Geodezie, s-a putut ajunge la rezultate aproape identice (sau chiar mai bune) decât dacă s-ar fi folosit laserul pentru măsurare.
Există în prezent firme producătoare de soft-uri pentru generarea norului de puncte folosind videoclipuri sau chiar imagini ale obiectului. Neavând un control adecvat al rezultatului obținut, putem spune că rezultatul este inferior față de tehnica ce implică folosința laserului, dar costul este signifiant mai redus.
Un studiu relevă faptul că generarea unui nor de puncte din fotografii duce la o precizie de maxim 98% din precizia unei scanări folosind laserul pentru obiecte mici. Cu alte cuvinte, dacă scanăm la o distanța maximă de 25 de metrii folosind fotografii, obținem o precizie echivalentă cu scanarea laser la o distanță de 24.5 m.
Întrebarea care se pune acum este: Cele 2 procente este de ajuns? Adevărul este că de cele mai multe ori cele 2 procente lipsă sunt insignifiante. Luăm un exemplu: avem de scanat interiorul unei camere relativ mici aflate la un etaj superior și nu dispunem de un lift. Aducerea scanerului laser necesită un efort relativ mare iar instalarea lui poate produce dezordine și mizerie. În acest caz, multe persoane aleg această alternativă în domeniul scanării.
3. Nor de puncte inteligent
În momentul de față, eforturile privind dezvoltarea software-elor se îndreaptă spre această direcție. Softu-urile actuale permit modelarea corectă unor obiecte cu forme simple (conducte, grinzi etc.) de cele mai multe ori. Cu toate acestea sunt cazuri când dimensiunile calculate sunt greșite și/sau interpretate greșit datorită ambiguității modelului spațial.
Din fericire, există posibilitatea izolării a zonei de interes și analiza amănunțită a acesteia pentru a ne asigura că datele sunt viabile. Dezavantajul constă într-un proces laborios și manual în procesare.
O tehnologie asemănătoare este obținerea ortofotoplanurilor în urma aerofotografierii terenului folosind drone aeriene. Având unele puncte de control la sol determinate folosind tehnologie GNSS, aceste imagini pot atinge precizii superioare determinărilor clasice.
4. Eliminarea procesului de modelare
Există un grup tot mai numeros de experți care își exprimă nedumirirea privind necesitatea modelării. Aceștia merg pe ideea că atunci când modelezi, schimbi forma obiectului scanat, iar modelul curățat de norii de puncte este mai curat și aspectuos.
Cu toate acestea, există programe care pot importa norii de puncte și îi pot procesa astfel încât utilizatorii îi pot folosi direct, fără a fi nevoie de un model spațial.
5. Folosirea platformelor avansate de preluare
În momentul actual, platformele de scanare sunt instalate pe elicoptere, avioane, automobile, camioane, bărci etc. Aceste sisteme sunt foarte eficiente dar nu pot fi folosite în absolut toate situațiile (tunele, conducte subterane de dimensiuni mari, cariere miniere subterane, centrale nucleare etc.). Numitorul comun al acestor sisteme este următorul: nu sunt sigure.
Când reactorul centralei de la Fukushima, Japonia s-a topit, nivelul iradiației era foarte ridicat iar oamenii puteau sta foarte puțin timp astfel încât să nu depășească doza de radiație maximă admisă.
Echipele au adus drone care puteau furniza aerofotografii de la distanță mică și erau echipate cu sisteme de detectare a obstacolelor. Informațiile furnizate au fost foarte importate având în vedere că acestea nu au fost procurate direct de către om.
Există în momentul de față drone echipate cu scanere laser de mici dimensiuni care pot fi programate să scaneze suprafețe și să recunoască unele zone. Acestea au fost folosite cu succes în zonele în care accesul uman ar fi fost ori foarte dificil, ori periculos.
În încheiere, putem afirma că viitorul scanărilor terestre se poate întinde în diferite direcții și acesta va fi perfecționat și adaptat pentru fiecare problemă în parte. Este posibil integrarea acestei tehnologii inclusiv în telefoanele mobile, acolo unde se dorește capturarea și examinarea obiectelor în detaliu.
Bibliografie
1. Gerald F. Marshall Handbook of Optical and Laser Scanning, Editura Marcel Dekker, Inc., anul 2004, ISBN 0-8247-5569-3;
2. Brian Curless From Range Scans to 3D Models, Editura ACM SIGGRAPH, anul 2000;
3. Constantin Coșarcă Sisteme de măsurare în industrie, Editura Conspress, anul 2009;
4. Erwin Heine, Hansjorg Reiner, Jose Luis Lerma Garcia, Josep Miguel Biosca Taronger, Thimas Weinold 3D risk mapping: preparing learning material on the use of laser scanning for risk assessment of public infrastructure, http://www.3driskmapping.org/;
5. Coșarcă Constantin, Neuner Johan, Didulescu Caius Scanare Laser Terestră – O nouă tehnică în Topografia Inginerească, Buletin Științific al Universității Tehnice de Construcții București, 2005;
6. Neuner Johan – Instrumente și metode de măsurare,
Bibliografie
1. Gerald F. Marshall Handbook of Optical and Laser Scanning, Editura Marcel Dekker, Inc., anul 2004, ISBN 0-8247-5569-3;
2. Brian Curless From Range Scans to 3D Models, Editura ACM SIGGRAPH, anul 2000;
3. Constantin Coșarcă Sisteme de măsurare în industrie, Editura Conspress, anul 2009;
4. Erwin Heine, Hansjorg Reiner, Jose Luis Lerma Garcia, Josep Miguel Biosca Taronger, Thimas Weinold 3D risk mapping: preparing learning material on the use of laser scanning for risk assessment of public infrastructure, http://www.3driskmapping.org/;
5. Coșarcă Constantin, Neuner Johan, Didulescu Caius Scanare Laser Terestră – O nouă tehnică în Topografia Inginerească, Buletin Științific al Universității Tehnice de Construcții București, 2005;
6. Neuner Johan – Instrumente și metode de măsurare,
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Scanare Laser 3d (ID: 123775)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.