Επίγειοι σαρωτές Laser - TLS

Transcript

1 Οπτικές µέθοδοι συλλογής 3D Παθητικές πληροφορίας Τριγωνισµός (γεωµετρική) Στερεοσκοπικές/Φωτογραµµετρικές Σχήµα από σκίαση / υφή / ισοϋψείς Ενεργητικές Χρήση Laser :Time of flight Συµβολοµετρία Phase Shift Τριγωνισµός µε ένα ή δύο CCD Με φωτεινή πηγή : Σαρωτής οµηµένου φωτός

2 Επίγειοι σαρωτές Laser - TLS Όργανα ενεργητικής απεικόνισης Συλλογή µεγάλου αριθµού 3D συντεταγµένων εκατοντάδες ή χιλιάδες σηµεία ανά δευτερόλεπτο Άµεσο αποτέλεσµα σάρωσης: Νέφη σηµείων (point clouds) (x, y, z, i) ανά σηµείο Συν/νες/ στο σύστηµα σαρωτή ένταση του ανακλώµενου σήµατος ή χρώµα (RGB)

3 Είδη τρισδιάστατων σαρωτών 3D Σαρωτές Επαφής Σύστηµα Μέτρησης Συντεταγµένων (Coordinate Measuring Machine) 3D Σαρωτές Μη επαφής Παθητικοί Στερεοσκοπικά συστήµατα Αυτόµατες φωτογραµµετρικές µέθοδοι Silhouette - Shape from shading / texture / contour Ενεργητικοί Time-of of-flight flight Phase Shift Τριγωνισµού µε ένα ή δύο CCD οµηµένο Φως

4 Επίγειοι σαρωτές laser Σαρωτές time-of flight,, διαµόρφωσης φέροντος κύµατος µ ή παλµού µ Μέτρηση διαφοράς χρόνου µεταξύ εκπεµπόµενου & λαµβανόµενου σήµατος Σχετικά αργοί (40-50Κ σηµεία/sec sec) Εµβέλεια εκατοντάδες µέτρα ή λίγα χιλιόµετρα Σαρωτές διαφοράς φάσης - Phase shift Μέτρηση η διαφοράς φάσης µεταξύ ξ εκπεµπόµενου µ µ & λαµβανόµενου σήµατος Γρήγοροι (1000Κ σηµεία/sec) Μειωµένη εµβέλεια ~ 70 m Σαρωτές τριγωνισµού,, µε µία ή δύο CCD Πολύ υψηλή ακρίβεια (50-250µ 250µm) Μικρό βεληνεκές

5 Σαρωτές παλµού µ (Time-of-flight) Μέτρηση, άµεσα ή έµµεσα, της διαφοράς χρόνου c*t Εκπεµπόµενου Λαµβανόµενου σήµατος : d = 2 Αρχή λειτουργίας της µεθόδου Οµοαξονικές ακτίνες εκποµπής και λήψης Ο ποµπός στέλνει ένα σήµα στον στόχο Ο δέκτης µετρά τον χρόνο µετάβασης-επιστροφής Ένας µηχανισµός κατόπτρων εκτρέπει την ακτίνα για τη σάρωση του αντικειµένου

6 Σαρωτές Παλµού (Time of Flight) Το laser στέλνει έναν σύντοµο παλµό LASER Καταγράφεται το ανακλώµενο σήµα Επιφάνεια ανάκλασης LASER Σύγκριση των δύο σηµάτων Χρονική υστέρηση Απόσταση = Χρονική υστέρηση x Ταχύτητα φωτός 2

7 Σαρωτές Παλµού - TOF HDS 3000 HDS (Cyrax) 2500 CE Callidus CP 3200 Optech ILRISA 36D Riegl LMS-Z420i Trimble (MENSI) GS200

8 Σαρωτές ιαφοράς φάσης Εκπέµπεται συνεχώς ακτίνα Laser της οποίας διαµορφώνεται η ένταση LASER Καταγράφεται η επιστρεφόµενη ακτινοβολία LASER Συγκρίνονται τα δύο σήµατα Χρόνος = ιαφορά Φάσης 2 x π x Ταχύτητα ιαµόρφωσης ιαφορά φάσης Απόσταση = Απόσταση = Χρόνος x ταχύτητα φωτός 2 Ταχύτητα φωτός 2 x Ταχύτητα ιαµόρφωσης

9 Σαρωτές ιαφοράς Φάσης MENSI S25 Faro 3D Z+F Imager

10 Ασφάλεια του Laser Class I/1 πλήρως ασφαλές Class II/2 ασφαλές για κανονική χρήση < 1mW Class IIIa/3R µικρός κίνδυνος για βλάβη στα µάτια < 5mW Class IIIb/3B σοβαρή βλάβη στα µάτια < 500mW Class IV/4 πιθανά εγκαύµατα Προστασία Ειδικά γυαλιά Προειδοποιητικές πινακίδες > 500mW

11 Απόδοση σαρωτών Ο προσδιορισµός της απόστασης εξαρτάται από την ένταση της ανακλώµενης ακτινοβολίας, η οποία εξαρτάται µε την σειρά της από: Σχήµα Γωνία Χρώµα επιφάνειας πρόσπτωσης Μέγεθος στόχου Υφή Πρίσµα Επίπεδο Ατµόσφαιρα Κυρτό

12 Πηγές σφαλµάτων Σαρωτών Laser Μηχανισµός σάρωσης Κάτοπτρα : Σ (1/2) Συγχρονισµός Άξονες περιστροφής : Μορφολογία του στόχου Παραµόρφωση (κίνηση, δονήσεις) Απόκλιση αρχής των συντεταγµένων Μέθοδος ανάγνωσης γωνιών Εκκεντρότητα Ηµιδιαφανείς & Πορώδεις επιφάνειες Απόκλιση κατακορύφου

13 Πηγές σφαλµάτων Σαρωτών Laser Παρεµβολές Γεωµετρία του στόχου Φαινόµενα σκιάς Μικτές µετρήσεις (2/2) ιαφορετικές αποστάσεις ανακλαστικότητα Ακµές οριακά σηµεία Περιβάλλον Ατµόσφαιρα Θερµοκρασία Ακτινοβολία άλλων πηγών Βαθµονόµηση Νοηµοσύνη

14 Σύγκριση ρ ToF - PS Βεληνεκές Time Of Flight Phase Shift 0 Max. Range Max Range 2004 Time Of Flight Phase Shift 0 Max. Range Max Range 2011

15 Σύγκριση ToF - PS Ταχύτητα (Χιλιάδες σηµεία ανά sec) ,200 1, Time Of Flight Phase Shift Kpts/s 2004 Kpts/s 2011 Time Of Flight Phase Shift

16 Σύγκριση ToF - PS Ακρίβεια (αβεβαιότητα απόστασης σε mm στα 25m) Time Of Flight 2 Time Of Flight 5 Phase Shift 1 Phase Shift 0 Range rms Range rms 2011

17 Βάρος (Kg) Σύγκριση ToF - PS Time Of Flight Phase Shift Weight 2004 Weight 2011 Time Of Flight Phase Shift Faro Phocus3D

18 Μέθοδος Τριγωνισµού (1/3) Ποµπός δέκτης σε γνωστή απόσταση Προβολή δέσµης (σηµείο / λωρίδα / πλέγµα) ) Ανίχνευση θέσης στον δέκτη Μικρό βεληνεκές Η ακρίβεια µειώνεται µε το τετράγωνο της απόστασης Laser κάτοπτρο αντικείµενο βάση CCD φακοί Αρχή λειτουργίας µε χρήση ενός CCD

19 Μέθοδος Τριγωνισµού (2/3) Αρχή λειτουργίας µε χρήση δύο CCD CCD φακός βάση Προβολέας Laser αντικείµενο CCD φακός Βελτίωση της ακρίβειας κατά 2 Έλεγχος χονδροειδών σφαλµάτων

20 Μέθοδος Τριγωνισµού ργ µ (3/3) Πλεονεκτήµατα Μεγάλη ακρίβεια σε µικρές αποστάσεις Προβλήµατα Φαινόµενα σκιάς λόγω απόστασης µεταξύ ποµπού δέκτη Εικόνα συµβολής (speckle) Μείωση οπτικού πεδίου δέκτη λόγω απόστασης µεταξύ ποµπού - συγχρονισµένη κίνηση ποµπού δέκτη

21 Σαρωτές Τριγωνισµού Minolta VI-910 VIVID 9i Smart Scan

22 Σαρωτές µε βραχίονες (επαφής ή & µη επαφής) )

23 Μηχανές καταγραφής αποστάσεων (Range Cameras)

24 Παραδείγµατα Συλλογής εδοµένων

25 Προβλήµατα δεδοµένων σάρωσης Μικροµετακινήσεις οργάνου ιαστάσεις παραθύρου σάρωσης Ιδιότητες υλικού του αντικειµένου προς σάρωση Αδιαφανής επιφάνεια ιασκόρπιση του φωτός κάτω από την επιφάνεια ιάχυση της ανακλαστικότητας Αντανάκλαση λόγω ανοµοιογένειας του υλικού Επιφάνεια µε υγρασία Απορρόφηση ακτινοβολίας Μεταβολή µεγέθους της κουκίδας του laser. µορφή αντικειµένου, ανακλαστικότητα υλικού, ανεπιθύµητα αντικείµενα Θόρυβος στα δεδοµένα

26 Επεξεργασία ξργ δεδοµένων µ σάρωσης Συρραφή ευθυγράµµιση (aligning) g Οι ανεξάρτητες σαρώσεις σε κοινό σύστηµα αναφοράς Χωρίς απαραίτητη την χρήση στόχων Αλγόριθµος του επαναληπτικά κοντινότερου σηµείου (ICP) Συνένωση (merging) ηµιουργία ολοκληρωµένου 3D αντικειµένου Αλγόριθµοι: ενοποίηση πλέγµατος (mesh integration) ογκοµετρική ένωση (volumetric fusion) Μοντελοποίηση Τρισδιάστατο στερεό µοντέλο αντικειµένου

27 Αλγόριθµος ICP (επαναληπτικά κοντινότερου σηµείου) Ο αλγόριθµος ICP χρησιµοποιείται συνήθως για την ταύτιση 2 σηµειοσυνόλων σε κοινό σύστηµα αναφοράς. Ο αλγόριθµος υπολογίζει µε διαδοχικές επαναλήψεις την ταύτιση, ενώ για κάθε βήµα επιλέγονται τα κοντινότερα σηµεία ως συσχετίσεις και υπολογίζεται ο µετασχηµατισµός.

28 Ταύτιση δύο συνόλων 3D δεδοµένων Αν η αντιστοιχία είναι γνωστή, απαιτείται σχετική στροφή και µετάθεση

29 Εύρεση αντιστοιχίας µεταξύ ξ των δύο συνόλων δεδοµένων Καθορισµός από τον χρήστη Αντιστοίχιση πλησιέστερων σηµείων

30 Προσδιορισµός αντίστοιχων σηµείων Πλησιέστερο σηµείο ΛΑΘΟΣ Σηµείο επί επιπέδου ΣΩΣΤΟ

31 Πηγές σφαλµάτων ICP Πολύπλοκο ανάγλυφο Πολλά τοπικά ελάχιστα Απαίτηση για καλή αρχική προσέγγιση Η επιλογή των σηµείων και του ανεκτού σφάλµατος είναι κρίσιµα για την επιτυχή σύγκλιση Κάποια σχήµατα είναι ιδιαίτερα «δύσκολα» Θόρυβος

32 Επεξεργασία δεδοµένων σάρωσης

33 υσκολίες στην επεξεργασία Τεράστιος όγκος αρχικών δεδοµένων Περιορισµός υπολογιστικής ισχύος Μεγάλος αριθµός σαρώσεων πρόβληµα αγκίστρωσης (registration) σαρώσεων πρόβληµα στη συνένωση (merge) πρόβληµα στη διατήρηση των αρχείων