лазерный сканер это что
Intergeo 2013. Essen. Germany. Лазерное сканирование
Здравствуйте, уважаемое Хабрасообщество.
Мероприятие, о некоторых аспектах которого я хотел бы вам рассказать, можно отнести к очень широкоизвестному в узких кругах. Позволю себе несколько слов о том, что такое Intergeo.
Это выставка достижений геодезическо-картографического хозяйства, уже более 20 лет ежегодно приводящаяся в Германии. Более крупного мероприятия, которое бы затрагивало такие области как геодезия, картография, фотограмметрия, ГИС и пространственное моделирование, в Мире попросту нет. Есть крупные семинары лидеров, но они обычно базируются вокруг одного бренда (например ESRI).
Именно поэтому на Intergeo можно оценить актуальное развитие многих направлений, посмотреть последние разработки, найти прямые контакты с производителями. Участие же компании на этой выставке можно напрямую оценивать как позиционирование оной на Мировом рынке. 
Изначально я планировал сделать пост-обзор всех направлений, представленных на выставке, но разобрав собранные на выставке материалы, понял, что для этого мне понадобится несколько недель, настолько разноплановой информацией я сейчас располагаю. Поэтому в этом посте мы поговорим только об одном, молодом и перспективном направлении, которое в последнее время набрало такие обороты, что не обратить на него внимание невозможно. Я предлагаю обсудить актуальное состояние лазерного сканирования (с небольшим уклоном в 3D-моделирование).
Отдельно хочу обозначить, что нижеизложенные аспекты выставки интересовали меня прежде всего как инженера-геодезиста.
Начнем с небольшого экскурса в историю, пусть и недалекую. Развитие цифровой геодезической техники, в частности лазерных дальномеров, вполне предсказуемо привело к первым попыткам сбора лазерного сканера. Первые упоминания подобных устройств относятся к середине 90-х годов. Так, например, компания Cyberware выпустила в 1991 году устройство, способное сканировать небольшие объекты, использовать эти сканеры предполагалось в медицине. Для геодезии эти устройства не подходили, но принципы уже были определены.
Первые геодезические сканеры появились под брендом Cyrax модель 2400 в 1998 году, примерно в это же время вышел RIEGL Scanner LMS Z 210. Cyrax через три года был куплен концерном Leica, Riegl же существует на рынке по сей день как самостоятельный производитель.
В нескольких словах опишу, что делает лазерный сканер и зачем он нужен. По сути своей, сканер, как и тахеометр, является угломерным прибором с лазерным дальномером. Отличие лишь в том, что сканер выполняет очень большое количество измерений в единицу времени, вращая плоскость измерений вокруг своей оси. Сканируя, таким образом, пространство вокруг себя.
Лазерный сканер Trimble GX перед сканируемым зданием. Взято с «Навгеком Инжиниринг»
На выходе мы имеем «скан» — облако точек, которое характеризуется низкой дискретностью, а при определенных условиях может восприниматься как континуальное. Зачем это нужно. Если мы имеем объект сложных очертаний (например, промышленную установку, либо фасад исторического здания и т.п.), то воспроизвести его математически точных образ традиционными геодезическими средствами очень сложно. Сканером быстрее, и проще (но не всегда).
Облако точек. Взято с «Навгеком Инжиниринг»
С самого начала лазерное сканирование конкурировало с фотограмметрической съемкой, которая позволяет делать почти то же самое, но при соблюдении достаточного количества дополнительных условий. Но она дешевле. Была во всяком случае. Пока сканирование выигрывает.
Что обычно сканируют? Архитектуру – особенно старинные фасады, промышленные предприятия с кучей труб, переходов и т.п., объемы – танки, штепеля, внутренние помещения. В межевании и прокладке кабеля сканеры, скорее, бесполезны.
Естественно, такая технология не прошла мимо активных игроков. Все лидеры геодезического рынка рьяно взялись за разработку (или скупку) технологий. На данный момент, только Javad не похвастал своим сканирующим решением (потому что полностью сосредоточен на GPS). Leica, Trimble, Topcon производят сканеры. Наравне с ними идут Z+F, Riegl, Faro – специализированные производители исключительно сканеров. Когда-то даже УОМЗ намеревался выпустить сканер и даже выпилил прототип из фанеры, но дальше этого как-то не сложилось. Упоминание есть на всеведующем «геодезисте». Хотя российский сканер Surphaser существует.
На данном этапе в лазерном сканировании можно выделить следующие сегменты: наземное лазерное сканирование и мобильное лазерное сканирование.
Что касается наземной части – то это основная ниша лазерных сканеров. Основная конкуренция ведется за технические характеристики – кто дальше, плотнее и точнее может создать облако точек. Ну и быстрее, конечно. В соревновании участвуют все. Еще как тенденция – уменьшать размеры сканера, здесь, лидер Faro, сканер которых по размерам не больше тостера.
Последняя тенденция – встраивать в сам корпус сканера экран контроллера, с которого можно вести операции управления. Монитор маленький, но зато теперь софт управления сканером с ноутбука можно продавать отдельно (пример Leica и их Cyclone). Такие сканеры уже есть у Leica P20, Trimble TX5, TopCon. Последний, правда, представил на выставке сканер, на который пока вообще нет информации, нет модели. А попытки с помощью внутреннего контроллера создать зону сканирования были пресечены менеджером с формулировкой «эта функция есть в сканере, но пунктов меню для нее нет».
Сканер Z+F с боковым экраном контроллера.
Рассмотрим сканер Leica P20, как наиболее типичного представителя сегмента. Дальность – 120 метров (довольно много для фазового сканера), точность 3 мм на 50 м, 6 мм на 100 м. Способен сканировать с дискретностью 0,8 мм на расстоянии 10 м, при этом время на сканирование займет около 1,5 часов. Весит 12 кг, размеры 24*35*40 см.
Сканер Leica P20. Изображение взято отсюда
Сюрпризом в этом сегменте стал внешне скромный сканер Hi-Target. Он ничем не примечателен, кроме того, что это первый самостоятельный китайский сканер. Как он работает – большой вопрос. Но это первая ласточка от азиатских друзей, так что и они пробуют себя в геодезическом Hi-End’e. Что касается Low-End, то поневоле после выставки рождается впечатление, что еще только самый ленивый китаец не спаял двухсистемный геодезический GPS-приемник и не собрал цифровой тахеометр. Настала очередь сканеров.
Первый китайский сканер Hi-Target
Мобильное лазерное сканирование это тренд последних лет. Подобные решения встречались и ранее, но, пожалуй, только эта выставка показала, что все лидеры геодезического рынка устремились в эту нишу.
Каждый из лидеров продемонстрировал схожие системы на разных носителях. Leica, Trimble, Topcon, Riegl, Faro разместили лазерные сканеры на автомобилях. Устройства очень схожие по параметрам, поэтому обратимся к мобильному лазерному сканеру Trimble MX2, представленному на крыше Mini.
Сканер Trimble MX2 на крыше Mini
Конечно, первое, что интересует это точность. У этого устройства заявлено 10 мм на 50 метрах. Такая точность достигается за счет установленной инерциальной системы вкупе с 2 спутниковыми антеннами, точность которых при постобработке заявлена в пределах от 2 до 5 мм. Обзорность 360 градусов. Дальнобойность 250 м, но скорее всего, на таком расстоянии точность упадет до 5 см.
Второе, что интересует – на какой скорости можно выполнять сканирование? У Trimble напрямую такой информации нет, поэтому приходится обратиться к данным Leica с их сканером HDS7000, вмонтированным в фотосистему Pegasus: One. Скорее всего, придется ограничиться 40 км/час. По словам представителей на стенде, скорость можно выдерживать и большую (например, при съемке автострад), но тогда облако получается разреженным, и выход может быть найден в многократном прохождении сканера по трассе.
Сканер HDS700 Leica
Наверное, стоит упомянуть стоимость этих устройств. Лазерный сканер далеко не дешевый инструмент и при покупке подобного наземного прибора стоит рассчитывать на цену, начинающуюся от 80 000 Евро. Что касается мобильного решения, то при покупке «все включено» цена вопроса возрастает примерно в 4-5 раз. Точную цену в России на новые устройства четко не скажет никто, только примерный порядок.
Отдельно хочется отметить 2 производных решения. Первый это сканер Faro (именно тот — с тостер размером), монтированный в квадрокоптер.
Летающий сканер Faro
Производитель позиционирует его как идеальное решение для архитектурной съемки, точностью до 10 мм. Суть в том, что предварительно тахеометром снимаются точки, определяющие контуры здания, а затем в контроллер квадрокоптера закладывается маршрут, по которому сканер делает облет. Чем это принципиально лучше наземной съемки – гарантированное покрытие мертвых зон. С земли большая проблема снять крышу и верхние элементы архитектурных деталей. На практике, зачастую, эти детали экстраполируются, и объективность отражения находится под вопросом.
Чем это решение хуже – оно менее точное (наземный сканер может обеспечить 2-3 мм точности), а также пока незащищенное. На мой вопрос – какая у этого сканера защищенность от воды и пыли, представитель ответил скромно, что никакая. Вспоминая мой личный опыт сканирования металлургических заводов, где на свет в воздухе висит металлическая пыль, могу сказать, что пролетает это устройство, скорее всего, недолго.
Сканер Riegl для размещения на судах
Вторым решением хочется отметить сканер Riegl VMS-250. Информации по нему пока в сети нет, но стоит ожидать, что характеристики у него схожие с другими мобильными сканерами. Эта компания пошла дальше в позиционировании сканера и предлагает его размещать не только на автомобилях, но и на железнодорожных составах (даже выполнили пилотный проект между Питером и Москвой), а также на маломерных судах. Глобальная идея состоит в том, что многие надводные конструкции: мосты, платформы, причалы – наземным сканером снять невероятно сложно (либо просто невозможно), а вот подойти на яхте со сканером – вполне обоснованное решение.
Теоретически эти два вышеперечисленных решения могли бы конкурировать. Т.е. можно было бы выбрать – подлетать к конструкции или подплывать. Но у Faro решение пока незаконченное, в то время как Riegl уже готов поставлять эту систему в том числе и на российский рынок.
Стоит отметить, что кроме этих двух сегментов на рынке были еще два направления сканирование – ручное модельное, т.е. устройством можно отсканировать человека и лидарное с борта вертолета (очень старое направление, начавшееся еще до наземных сканеров). По определенным причинам я не уделил им особого внимания (первое неприменимо к геодезии, второе и так вполне понятно – низкая точность и проблемы с растительностью при этом огромная стоимость и сложность организации в РФ).
Ручное сканирование человека. Презентация.
Проблемы сканирования заключаются не только в самих лазерных сканерах, но и в обработке полученного материала. Обычно технологический процесс выглядит таким образом:
Сканирование – Сшивка сканов – моделирование в ПО производителя сканеров – экспорт в САПР – доделка модели – получение чертежей по модели – оформление чертежей.
На каждой из вышеперечисленных стадий применяются решения, которые далеки до идеальных. Перечислять все проблемы нет смысла, но в каждой стадии программное обеспечение доводится до ума.
Leica Cyclone позволяет осуществлять сшивку сканов не только по сферам (для того чтобы соединить соседние сканы, на объекте развешиваются стандартизированные шары, их распознавание софтом позволяет свести облако точек), но и по элементам конструкций (например изгибы труб, концы металлоконструкций – швеллеров), присваивая им роль сфер.
Программное обеспечение Cubit позволяет исключить этап моделирования в софте производителя, позволяя вносить облака точек напрямую в САПР.
Отдельное внимание уделяется моделированию стандартных конструкций, большинство производителей пришли к тому, что можно создавать стандартные объекты (Например, по ГОСТ есть труба 1220 мм – именно такого диаметра труба подбирается из каталога), и их автоматически вписывать в облака.
Какие могут быть сделаны выводы. Лазерное сканирование уже пережило этап первых экспериментов и оформилось в отдельное направление геодезических изысканий. Разработки ведутся по прежнему, но если наземный сегмент уже оформился, то мобильное лазерное сканирование еще на стадии становления. Моделировать становится удобнее и быстрее, это говорит о том, что технология сканирования постепенно будет удешевляться за счет человеко-часов, что крайне важно, так как камеральный этап в этой отрасли может достигать 80% от продолжительности всего проекта.
В России лазерное сканирование развивается также. По оценкам менеджеров разных компаний количество таких устройств, работающих у нас, уже давно перевалило за первую сотню. Для иностранных компаний, что они признают однозначно, Россия – один из главных рынков сбыта этих приборов. Строительство, реконструкция, изыскания – везде можно найти применение лазерному сканеру.
Лазерные 3D-сканеры: области применения и обзор моделей
Лазерное 3D-сканирование — создание цифровой модели физического тела при помощи луча лазера. Технология бесконтактная, работает на близких и дальних расстояниях, исключает повреждения объектов во время сканирования. Принцип работы лазерных 3D-сканеров: направленный лазерный луч отражается от поверхности предмета, образуя облако точек. Каждая точка имеет свои координаты в пространстве. Программное обеспечение определяет их и создает готовую трехмерную цифровую модель на основе этих данных.
Из обзора вы узнаете, где применяют лазерное сканирование и какое оборудование используют для решения связанных с ним задач.
Назначение лазерных сканеров
В сравнении с традиционными способами измерения, лазерные сканеры имеют важное преимущество — они могут оцифровывать объекты со сложными поверхностями и работать в труднодоступных для человека местах. Основные сферы применения приборов — входной и выходной контроль качества на производстве, инспекция работающих приборов с целью профилактики и устранения дефектов, реверс-инжиниринг и другие области.
Строительство, реконструкция и ремонт объектов
В ходе подготовки проекта здания необходимо оценить особенности участка и стоимость предстоящих работ. С помощью лазерных 3D-сканеров создают модель ландшафта, на базе которой ведутся дальнейшие работы. В процессе строительства требуется промежуточный контроль геометрии будущих зданий: стен, углов, проемов и т.п. Лазерное сканирование справляется с этой задачей точнее и быстрее привычных измерительных технологий.
Основой для внешней или внутренней реконструкции часто является точная цифровая модель, на базе которой планируют изменения и дополнения в текущем интерьере или экстерьере. В этой сфере также незаменимы лазерные сканеры.
Дорожные сети и транспорт
Лазерное сканирование становится неотъемлемой частью планирования и создания городских и загородных дорожно-транспортных сетей, тоннелей, пешеходных участков, железных дорог, портов. Технологию используют для оценки текущего состояния покрытий, планирования и оценки стоимости ремонтных работ, для получения моделей многолетних конструкций, например, мостов. Оборудование задействовано в проектировании, изготовлении, ремонте и тюнинге автомобилей, воздушного транспорта и судов.
Объекты коммунального хозяйства
При помощи лазерных 3D-сканеров стала возможным быстрая оцифровка и документирование инженерных коммуникаций. Сканирование значительно экономит время при техническом обслуживании и реконструкции. Устройства работают дистанционно, минимизируют риски людей при работе в неблагоприятных условиях и на труднодоступных участках.
Нефтедобывающие установки
Нефтедобывающие комплексы, расположенные в воде, нуждаются в постоянном контроле рабочих процессов. Объекты регулярно подвергаются неблагоприятным и переменчивым воздействиям окружающей среды: ветров разной силы и направлений, течений, перепадов температур и т.п. Лазерное 3D-сканирование становится неотъемлемой частью инспекции нефтедобывающих установок. Оборудование позволяет быстро определять и фиксировать деформации и другие повреждения, контролировать износ, рассчитывать сроки планового технического обслуживания, предотвращать аварии.
Судебная экспертиза
На смену фотографиям и ручным измерениям в следственных процессах и судмедэкспертизе приходит лазерное 3D-сканирование. Приборы создают трехмерные модели мест происшествия с точной фиксацией расположения объектов и расстояний между ними. Данные используют в процессе досудебных и судебных разбирательств.
Другие области применения
Лазерные 3D-сканеры облегчают и оптимизирует рабочие процессы в следующих областях:
Обзор моделей и производителей
FARO Focus
FARO входит в пул популярных производителей лазерных сканирующих устройств. Новые приборы серии S модельного ряда Focus3D выделяются на фоне других сканеров легкостью и компактными размерами, а также возможностью работать в условиях яркого солнечного освещения и поддерживать связь с участком расположения при помощи GPS.
Сканер FOCUS 3D S 150 работает на расстоянии до ста пятидесяти метров, с точностью на максимальной дистанции до ±2000 мкм. Прибор используют в дизайне, архитектуре и строительстве, для оцифровки оборудования и других объектов.
Узнать больше об этой модели вы можете на сайте.
Focus3D S 350 сканирует с такой же точностью, как и предыдущий прибор, однако расстояние до объекта измерений увеличено до 0,35 км. Устройство разработано для работы вне помещений.
SHINING 3D
FreeScan — линейка известного китайского производителя цифрового оборудования SHINING 3D. Это универсальные лазерные ручные 3D-сканеры FreeScan X5 (X5+), FreeScan X7 (X7+) весом до 1 кг, с отличными набором профессиональных характеристик.
Основные параметры:
Технические характеристики
Creaform
Отличительные особенности модельного ряда SCAN 3D компании Creaform — высокое качество сканирования в сочетании с простотой использования. Портативные лазерные сканеры HandySCAN 3D, MetraSCAN 3D обладают понятным интерфейсом, не требуют специальных навыков и сложного обучения пользователя.
ScanTech
Модельный ряд Handheld
Источник: cmmxyz.com
Серия устройств HandHeld Prince работает на базе синих и красных лазерных лучей, что позволяет сканировать с высокой точностью крупные и мелкие объекты. Сканеры могут работать в условиях яркого солнечного света и при недостаточном освещении. Благодаря компактному размеру, высокой скорости и детализации, оборудование широко используют в обратном проектировании, инспекции качества, оцифровке музейный, археологических и других объектов.
Серия Composite
Кроме режима двойного сканирования KSCAN20 оснащен системой фотограмметрии, благодаря которой рабочая область прибора составляет 2,5м*3м с точностью до 35 мкм/м.
Синий и красный лазеры обеспечивают высокоскоростное сканирование до 650 тыс измерений в секунду с разрешением 0,01 мм.
Области применение лазерных 3D-сканеров
Уменьшение финансовых и временных затрат в строительстве с помощью FARO Focus
Построение цифровой модели воздуховодов и других систем позволили избежать ошибок при монтаже физических объектов, который мог занимать несколько недель. Использование FARO Focus при сборке водопроводных, электрических и механических установок помогло оптимизировать затраты на всех этапах работы
Кейс “Модернизация корпуса Университета Майами”
На момент начала работ в распоряжении архитекторов были чертежи, сделанные 85 лет назад, и чуть больше 4,5 тысяч квадратных метров старой постройки. Используя лазерный 3D-сканер, специалисты Gilbane оцифровали учебные площади за один рабочий день. Модернизация несущих конструкций, а также основных коммунальных систем: водопровода, электрики и вентиляции, базировалась на данных, полученных при сканировании.
Инспекция качества с помощью ScanTech
Преимущество технологии штамповки металла, перед ковкой и литьем, заключается в меньшем весе и толщине получаемых деталей. Использование пресс-форм дает высокую точность и максимальное соответствие полученных деталей заданным характеристикам, однако полностью не исключает отклонений и деформаций. Что, в свою очередь, может привести к трудностям при сборке готовых изделий и снижению качества продукции. Поэтому постоянная инспекция качества является необходимой составляющей производства.
Разобравшись в задачах производителя, специалисты ScanTech предложили проверять качество штампованных деталей при помощи лазерного сканера PRINCE. Возможность переключения режимов синего и красного лазера позволили устройству объединить функционал традиционных портативных и метрологических 3D-сканеров. Режим работы с активным лучом красного лазера обеспечивает быструю оцифровку предметов. В случае повышенных требований к точности и детализации, включают режим синего лазерного луча.
На фото представлены этапы работы:
1. Установка маркеров — занимает около двух минут.
2. Оцифровка детали — занимает около трех минут.
3. Выявление отклонений — длится 3 минуты.
Цифровая модель демонстрирует параметры и отклонения, позволяет исправлять ошибки на этапе проектирования. Кейс наглядно показывает, что процесс потребовал минимум времени и усилий.
Использование 3D-сканеров FARO в мировом турне Джастина Тимберлейка
Декорациями к программе Тимберлейка под названием «Man of the Woods» стали “ожившие” на сцене природные пейзажи. Сначала команда ScanLAB оцифровала ряд уголков леса в Американском штате Орегон. Затем лазерные проекторы направляли изображения над зрительным залом и сценой, рисуя удивительные картины Портлендского ландшафта на подвешенных в воздухе полупрозрачных полотнах.
Для подготовки визуальных эффектов использовали два лазерных сканера Faro Focus X 330, программное обеспечение Faro Scene 6.2. Всего потребовалось 40 цифровых копий и 1 рабочий день в концертном зале.
Учитывая ограниченное время для подготовки, большие площади поверхностей для демонстрации изображения и, соответственно, потребность в высоком разрешении картинки, создание визуальных эффектов в короткие сроки без использования выбранной технологии было невозможно.
Рекомендации по подбору лазерных 3D-сканеров
В обзоре мы познакомили вас с оборудованием лидеров рынка с отличной репутацией. Все описанные приборы имеют высокие рабочие показатели, поэтому мы рекомендуем обратить внимание на эти устройства для использования в различных сферах:
Итоги
Рассмотренные примеры наглядно доказывают, что применение лазерного 3D-сканирования оптимизирует рабочие процессы во множестве сфер. Круг задач, решаемых при помощи лазерных 3D-сканеров, постоянно расширяется.
Купите профессиональный лазерный 3D-сканер в Top 3D Shop — опытные специалисты помогут подобрать наиболее подходящее для вашего бизнеса оборудование, ПО, предложат проект модернизации производства.