Skenování – Trocha teorie

Prezentace na téma: "Skenování – Trocha teorie"— Transkript prezentace:

1 Skenování – Trocha teorie
Doc. Ing. Martin Štroner, Ph.D. Katedra speciální geodézie Fakulta stavební ČVUT v Praze Doporučená literatura: [1] Štroner, M. - Pospíšil, J.: Terestrické skenovací systémy. Česká technika - nakladatelství ČVUT, Praha, s. ISBN [2] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laserové skenovací systémy ve stavebnictví. Vega, s. [3] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laser Scanning in Civil Engineering and Land Surveying. Vega, s.

2 Skenování – Trocha teorie
Obsah: 1. Základní pojmy 2. Principy a základní typy 3. Vlivy působící na skenování. 4. Postup měření a zpracování naměřených dat. 5. Kinematické 3d skenování – odlišnosti a vlastnosti. 6. Vybrané existující systémy 7. Podstatné parametry 3D skenovacích systémů. 8. Aplikace terestrických systémů.

3 1. Základní pojmy Skenování:
- neselektivní určování prostorových souřadnic objektu a jejich ukládání do paměti, - provádí se pomocí skeneru, automaticky podle nastavených parametrů, - je řízeno počítačem, - výsledkem je tzv. mračno bodů obsahující desítky, i stovky miliónů bodů.

4 1. Základní pojmy Skenery:
- přístroje, které určují prostorovou polohu diskrétních bodů, obvykle na principu prostorové polární metody

5 1. Základní pojmy Hlavní znaky: - neselektivní určování 3D souřadnic,
- obrovská množství bodů (mračna), řádově miliony, - velká rychlost měření, bodů/ sekundu a i více (1e6), - nutná nová forma zpracování, zvláště pro geodety.

6 2. Principy a základní typy
Dělení podle principu měření :

7 2. Principy a základní typy
Polární skener: - z hlediska principu se jedná o totální stanici s bezhranolovým dálkoměrem (nikoli provedením), - dálkoměr na principu měření tranzitního času nebo fázového rozdílu.

8 2. Principy a základní typy
Polární skener:

9 2. Principy a základní typy
Skener se základnou - jednokamerový : - souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze základny.

10 2. Principy a základní typy
Skener se základnou - dvoukamerový : souřadnice jsou určovány na základě „protínání z úhlů“ ze základny, projektor slouží jen k označení bodů, Jsou skenery s projektorem (strukturované světlo i bez).

11 2. Principy a základní typy
Dělení podle zorného pole : - kamerový panoramatický

12 2. Principy a základní typy
Polární skener měří: - vodorovný směr, - svislý úhel, - šikmou délku (fázový nebo pulsní dálkoměr). - (obrazová data – digitální fotografie interní x externí) Souřadnicová soustava: - počátek ve vztažném bodě skeneru, - obecně skener není horizontován, tj. souřadná soustava je obecně natočená a umístěná, - do geodetického systému nutno transformovat prostorovou transformací (viz dále). Obecně se nezadávají souřadnice stanoviska, nedělá se orientace, vše se řeší post zpracováním – 3d transformací.

13 3. Vlivy působící na skenování
Vnitřní vlivy (chyby skeneru) - přesnost určení délky, přesnost určení vodorovného směru a svislého úhlu. Vnější vlivy - vliv prostředí na průchod svazku, - vliv geometrie skenovaných objektů na měření, - vliv povrchu skenovaných objektů na měření. Vlivy zpracování Transformace, spojování skenů; (aproximace při zpracování).

14 𝑥=𝑑∙ cos 𝜔 ∙ sin ζ 𝑦=𝑑∙sin⁡(𝜔)∙sin⁡(ζ) 𝑧=𝑑∙cos ζ
3. Vlivy působící na skenování Vnitřní vlivy (chyby skeneru) - přesnost určení délky, přesnost určení vodorovného směru a svislého úhlu. Nelze běžně opakovat měření a zvyšovat přesnost, nelze měřit ve dvou polohách. 𝑥=𝑑∙ cos 𝜔 ∙ sin ζ 𝑦=𝑑∙sin⁡(𝜔)∙sin⁡(ζ) 𝑧=𝑑∙cos ζ

15 3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy vliv prostředí na průchod svazku (refrakce) Terestrická měření často probíhají v časově a opticky proměnných, přízemních vrstvách zemské atmosféry. V důsledku změn stavových parametrů prostředí dochází ke změně indexu lomu tohoto prostředí a toto je pak z optického hlediska nehomogenní. Paprsky elektromagnetického záření pak v takovémto prostředí přestávají být přímkami a stávají se obecnými prostorovými křivkami. 𝛿 𝐴 𝐵 𝑛 𝑥,𝑦,𝑧 ∙𝑑𝑠=0

16 3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy - vliv geometrie skenovaných objektů na měření:

17 3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy - vliv geometrie skenovaných objektů na měření:

18 3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy - vliv geometrie skenovaných objektů na měření:

19 3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy - vliv geometrie skenovaných objektů na měření:

20 3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy - vliv geometrie skenovaných objektů na měření:

21 3. Vlivy působící na skenování
Vnější vlivy - vliv povrchu sken. objektů na měření. MATERIÁL REFLEKTIVITA / % Bílý papír do 100% Stavební dřevo (borovice, čistá, suchá) 94% Sníh 80-90% Bílé zdivo 85% Jíl, vápenec do 75% Potištěný novinový papír 69% Listnaté stromy typ. 60% Jehličnaté stromy typ. 30% Plážový, pouštní písek typ. 50% Hladký beton 24% Asfalt s oblázky 17% Láva 8% Černý neoprén 5% Snížení dosahu, u některých přístrojů i snížení přesnosti.

22 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Rekognoskace měřeného prostoru. Volba stanovisek pro skenování. (kamerový x panoramatický). Signalizace a zaměření vlícovacích bodů. (umělé x přirozené). Měření. (Skenování, pořizování obrazových dat). Vstupní úpravy mračen bodů. Spojování jednotlivých skenů (transformace (registrace)). Úpravy mračen bodů. Zpracování dat aproximace objektů plochami (rovina, koule, válec, atd. …), modelování s využitím mnoha plošek (trojúhelníkové sítě), aproximace plochami s proměnlivou křivostí (např. B-spline). - Vizualizace (přiřazení barev, textur, skutečných barev), vytváření prezentací, animací a pod. Rekognoskace - nutno uvážit: Možnosti a vlastnosti skeneru (dosah, tvar zorného pole, hustota skenování). Tvar a povrch skenovaného objektu (odrazivost, zákryty) Účel práce (požadovaná přesnost, detailnost) Měření: - Nastavení parametrů do sw, = počáteční a koncový úhel/zenitka, hustota ´úhlový krok.

23 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Signalizace a zaměření vlícovacích bodů:

24 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Signalizace a zaměření vlícovacích bodů: Rekognoskace - nutno uvážit: Možnosti a vlastnosti skeneru (dosah, tvar zorného pole, hustota skenování). Tvar a povrch skenovaného objektu (odrazivost, zákryty) Účel práce (požadovaná přesnost, detailnost)

25 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Signalizace a zaměření vlícovacích bodů: - Lze využít přirozeně signalizovaných bodů, které lze modelováním přesně určit a zároveň zaměřit, jako např. ostré rohy, středy koulí nebo jejich části. zejména se využívají vlícovací body dodávané výrobcem ke konkrétnímu přístroji, většinou lze použít i speciální procedury nalezení a zaměření, zaměření obvykle běžnými geodetickými metodami, ovlivňují přesnost spojování mračen bodů, musí umožnit transformaci s kontrolou, Lze pracovat bez vlícovacích bodů (jedno stanovisko nebo metoda minimální vzdálenosti povrchů.

26 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Spojování jednotlivých skenů: Spojování pomocí vlícovacích bodů (transformace MNČ).

27 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Spojování jednotlivých skenů: Spojování skenů na základě překrytu (ICP Algoritmus, Iterative Closest Point Algorithm). 1. Pro každý bod se nalezne nejbližší bod z druhé množiny. 2. Vypočítá se transformační klíč bodů na určené nejbližší body. 3. Body se přetransformují na takto určenou pozici. 4. Postup se opakuje do ustálení. Vlastnosti: ne vždy konverguje, nutný členitý a nepravidelný povrch, kvalita výsledku je nižší než u vlícovacích bodů (záleží zejména na rozestupu bodů). (přístroje s kompenzací náklonu x bez)

28 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Úpravy mračen bodů: Redukce dat, odstraňování nadbytečných bodů, obvykle je žádoucí rovnoměrný pokryv objektu body, ale vzhledem ke konstantnímu úhlovému kroku a různé vzdálenosti od skeneru tomu tak není. Vyhlazování odstraňování šumu speciálními postupy – průměrování buněk, prokládání malého okolí bodu rovinou apod., Zahušťování Doplnění na základě fotografií – promítnutí bodů na existující plochu. Doplňování skutečných barev k naskenovaným bodům.

29 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Zpracování dat aproximace objektů plochami (rovina, koule, válec, atd. …), modelování s využitím mnoha plošek trojúhelníkové sítě (TIN, Triangular Irregular Network), aproximace plochami s proměnlivou křivostí (např. B-spline). Vizualizace přiřazení barev, textur, skutečných barev, vytváření prezentací, animací, průletů a pod., specializované programy (3D Studio Max, Blender apod.).

30 5. Kinematické 3d skenování – odlišnosti a vlastnosti.
U terestrického skenování je stanovisko a orientace stabilní, u kinematického se měří za pohybu s proměnlivým natočením, tj. každý bod má odlišné stanovisko a orientaci. Skener je doplněn dalšími senzory (podobně jako u letecké fotogrammetrie), obvykle: GNSS přijímače, inerciální navigační systém, časová synchronizace jednotlivých údajů, (odometr, kamery).

31 5. Kinematické 3d skenování – odlišnosti a vlastnosti.

32 5. Kinematické 3d skenování – odlišnosti a vlastnosti.

33 5. Kinematické 3d skenování – odlišnosti a vlastnosti.

34 5. Kinematické 3d skenování – odlišnosti a vlastnosti.

35 5. Kinematické 3d skenování – odlišnosti a vlastnosti.

36 6. Vybrané existující systémy.
Skenerů je na současném trhu mnoho, např. firmy: Riegl, Leica, Trimble, Faro, Topcon, Callidus, Optech, Gom, Ke skenování lze využít i motorizované totální stanice s příslušným programem, je to ale velmi pomalé (cca 15 bodů/ sekundu).

37 6. Vybrané existující systémy.
Speciální systémy: Callidus CT 900

38 6. Vybrané existující systémy.
Speciální systémy: Cavity Autoscanning Laser System

39 6. Vybrané existující systémy.
Speciální systémy: Handyscan

40 7. Podstatné parametry 3D skenovacích systémů.
Přesnosti měření délky, vodorovného směru a svislého úhlu. Dosah – pozor na definovanou odrazivost cíle. Minimální rozestup bodů (maximální hustota). Velikost stopy. Rychlost měření. Operační podmínky (teplota, vlhkost, výbušné prostředí). Bezpečnostní třída použitého laseru. Softwarové vybavení v ceně.

41 8. Aplikace terestrických systémů.
Zaměřování složitých technologických celků a konstrukcí. Zaměřování reálného stavu stavebních konstrukcí. Dopravní stavby. Topografické mapování terénních útvarů. Měření v podzemních prostorách. Dokumentace památek v oblasti architektury a archeologie. atd.

42 Děkuji za pozornost…