Úvod do 3D skenování Ing. Tomáš Křemen, Ph.D.

Prezentace na téma: "Úvod do 3D skenování Ing. Tomáš Křemen, Ph.D."— Transkript prezentace:

1 Úvod do 3D skenování Ing. Tomáš Křemen, Ph.D.
Katedra speciální geodézie Fakulta stavební, ČVUT v Praze Doporučená literatura: [1] Štroner, M. a kol.: 3D skenovací systémy Česká technika - nakladatelství ČVUT, Praha, 2013, ISBN [2] Štroner, M. - Pospíšil, J.: Terestrické skenovací systémy. Česká technika - nakladatelství ČVUT, Praha, s. ISBN [3] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laser Scanning in Civil Engineering and Land Surveying. Vega, s.

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

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

5 1. Základní pojmy Skenery:
- přístroje, které určují prostorovou polohu diskrétních bodů

6 2. Principy a základní typy
Dělení pozemních statických systémů 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. 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 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.

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.

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

20 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Rekognoskace měřeného prostoru. Volba stanovisek pro skenování. (kamerový x panoramatický). Signalizace a zaměření identických bodů. (umělé x přirozené). Měření. (Skenování, pořizování obrazových dat). Vstupní úpravy mračen bodů. Spojování jednotlivých skenů (transformace (registrace)). Úpravy mračen bodů. Zpracování dat aproximace objektů plochami (rovina, koule, válec, atd. …), modelování s využitím mnoha plošek (trojúhelníkové sítě), aproximace plochami s proměnlivou křivostí (např. 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.

21 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Signalizace a zaměření identických bodů:

22 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Signalizace a zaměření identických bodů: 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)

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

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

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

26 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Úpravy mračen bodů: Redukce dat, odstraňování nadbytečných bodů - > sjednocení hustoty bodů, Čištění Odstraňování chybně zaměřených nebo zbytečných bodů, Vyhlazování odstraňování šumu speciálními postupy – průměrování buněk, prokládání malého okolí bodu rovinou apod., Zahušťování Doplnění na základě fotografií – promítnutí bodů na existující plochu.

27 4. Postup měření a zpracování naměřených dat.
Zpracování dat spojené a upravené mračno bodů aproximace objektů plochami (rovina, koule, válec, atd. …), modelování s využitím mnoha plošek trojúhelníkové sítě (TIN, Triangular Irregular Network), aproximace plochami s proměnlivou křivostí (např. B-spline). Vizualizace přiřazení barev, textur, skutečných barev, vytváření prezentací, animací, průletů a pod.

28 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).

29 5. Kinematické 3D skenování – odlišnosti a vlastnosti.

30 5. Kinematické 3D skenování – odlišnosti a vlastnosti.

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

32 6. Vybrané existující systémy.
Skenerů pro oblast zeměměřictví je na současném trhu mnoho, např. firmy: Riegl, Leica, Trimble, Faro, Topcon, Callidus, Optech, Gom, Ke skenování lze využít i motorizované totální stanice s příslušným programem, je to ale velmi pomalé, cca 15 b/s. Dnes už existuje totální stanice s podstatně vyšší rychlostí měření (1000 b/s)

33 6. Vybrané existující systémy.
Další systémy: Callidus CT 900

34 6. Vybrané existující systémy.
Další systémy: Cavity Autoscanning Laser System

35 6. Vybrané existující systémy.
Další systémy: Handyscan

36 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.

37 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.

38 Děkuji za pozornost…