Skenování – Trocha teorie Doc. Ing . Martin Štroner, Ph.D. Katedra speciální geodézie

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, 2008. 187 s. ISBN 978-80-01-04141-3. [2]Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laserové skenovací systémy ve stavebnictví. Vega, 2003. 112 s. [3]Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laser Scanning in Civil Engineering and Land Surveying. Vega, 2004. 103 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, 1 000 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 transformovatprostorovou transformací (viz dále).

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 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.

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.

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

24. 4. Postup měření a zpracování naměřených dat. Signalizace a zaměření vlícovacíchbodů:

25. 4. Postup měření a zpracování naměřených dat. • Signalizace a zaměření vlícovacíchbodů: • - 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, IterativeClosestPoint 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, TriangularIrregular 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: CavityAutoscanning 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. • http://k154.fsv.cvut.cz/~stroner/LSK/index.html

42. Děkuji za pozornost…