+7 (499) 322-23-19
Пн–пт 10:00–19:00, сб-вс 10:00–17:00
Феърфилд
Корзина пуста
Корзина пуста
+7 (499) 322-23-19
Пн–пт 10:00–19:00, сб-вс 11:00–17:00

Обзор: времяпролетные 3D-сканеры

03 октября 2019
118
Поделитесь в соц. сети:

  

Содержание

  

Введение

3D-сканирование применяется во многих сферах: от строительства и метрологии до археологии и медицины. Существует несколько технологий, которые можно условно разделить на две основные категории — сканеры ближнего и дальнего действия, однако ни одна из них не является универсальной. Для каждой сферы подходит определенная технология или их комбинация. В этой статье мы рассказываем о времяпролетном 3D-сканировании, его принципе работы, основных преимуществах и сферах применения.

   

Времяпролетный принцип (Time-of-Flight)

Источник: baslerweb.com

3D-сканеры ближнего действия в основном используются при рабочих расстояниях до нескольких метров (навигация, мониторинг людей, обход препятствий, мобильные роботы и т. д.). В таких случаях часто просто необходимо понять, присутствует ли объект, и установить его положение.

Источник: 3deling.com

В других сферах, например — в автоматизированных системах обработки материалов, работы проводятся на умеренных расстояниях в 1–3 метра и требуют более точных измерений (около 1–5 мм). При таких условиях подходящим решением может быть визуализация времени пролета (Time-of-Flight). 

Времяпролетный принцип достаточно прост: устройство измеряет время, необходимое для того, чтобы излучаемый устройством лазерный свет добрался до конкретного объекта и, отразившись, вернулся к сенсору, для каждой точки изображения. 

Поскольку скорость света  (c) – величина постоянная, измерив время пролёта лазерного луча туда и обратно, можно определить расстояние, на которое переместился свет, которое будет в два раза больше расстояния между сканером и поверхностью объекта. Допустим, (t) – это время пролёта луча туда и обратно, тогда расстояние равняется  c(t/2). Точность времени пролёта лазерного луча 3D-сканера зависит от того, насколько точно мы можем измерить само время (t): для преодоления лазером расстояния в 1 миллиметр необходимо приблизительно 3,3 пикосекунды.

Источник: all-electronics.de

Лазерный дальномер измеряет расстояние только до одной точки в заданном направлении. Поэтому девайс сканирует все поле зрения по отдельным точкам за раз, при этом меняя направление сканирования. Менять направление можно либо вращая сам прибор, либо посредством системы вращающихся зеркал. Зачастую используется второй метод, ведь он намного быстрее, точнее и легче в обращении. К примеру, времяпролетный 3D-сканер может измерить расстояние для 10 000 - 100 000 точек за секунду. 

Источник: youtube.com

Например, в системах машинного зрения (автоматическое управление), сканеры на основе Lidar могут использоваться для создания карты окружающих их объектов путем излучения лазерного импульса, который сканируется по полю зрения устройства с использованием движущегося зеркала. Излучаемый свет отражается от объектов и возвращается к датчику. Полученная информация содержит как отражательную способность объекта (затухание сигнала), так и информацию о временной задержке, которая используется для вычисления глубины с помощью времяпролетного принципа.

   

Сканеры на основе технологии Time-of-Flight

Источник: blog.lidarnews.com

Как уже упоминалось ранее, лазерные сканеры на основе времяпролетного принципа являются сканерами дальнего действия. Они бывают двух видов — импульсные и на основе фазового сдвига. 

  

Лазерные импульсные 3D-сканеры 

Источник: leica-geosystems.com

Сканеры на основе лазерных импульсов, также известные как времяпролетные сканеры, основаны на очень простой концепции: нам достоверно известна скорость света. Таким образом, если известна длительность времени, в течение которого лазер достигает объекта и отражается от датчика, легко вычисляется расстояние от датчика до объекта. Эти системы используют схемы работающие с точностью до пикосекунд, чтобы измерить время, которое требуется миллионам импульсов лазера для возврата к датчику, и рассчитать расстояние. Вращая лазер и датчик (обычно с помощью зеркал), сканер может сканировать пространство до 360 градусов вокруг себя.

Источник: youtube.com

Импульсные сканеры рассчитаны на работу на расстояниях в несколько сотен метров, за счет мощного лазерного луча. При этом следует обязательно помнить, что излучение таких лазеров может быть опасным для глаз. Точность измерений достигает нескольких миллиметров, но с увеличением расстояния до объекта она снижается. Важно также учитывать то, что максимальная дальность измерения сканера, заявленная в описаниях и рекламных буклетах, рассчитана при отражении луча лазера от поверхности с высоким коэффициентом отражения. В реальных условиях коэффициент отражающей способности объекта почти всегда оказывается ниже (стена, борт карьера и т. д.), а вместе с этим уменьшается и максимальная дальность измерений. 

   

Фазовые лазерные 3D-сканеры

Источник: semanticscholar.org

Эти лазерные системы представляют собой еще один тип технологии 3D-сканеров, основанных на времяпролетном принципе, и концептуально работают аналогично импульсным сканерам. В дополнение к пульсации лазера, эти системы также модулируют мощность лазерного луча, и сканер сравнивает фазу отправленного и возвращенного к датчику сигнала. Измерения сдвига фаз обычно более точные, но фазовые сканеры не так удобны для сканирования на большие расстояния, как импульсные. Времяпролетный лазерный 3D-сканер с этой технологией может сканировать объекты на расстоянии до 1000 м, тогда как сканеры с фазовым сдвигом лучше подходят для сканирования объектов на расстоянии до 100 м. 


Источник: maptek.com

Фазовые сканеры используют безопасный для глаз лазер, при этом скорость измерений превышает скорость импульсных сканеров в 10-100 раз.

Ниже приведена сравнительная таблица преимуществ и недостатков импульсных и фазовых лазерных сканеров.

Тип сканера

Плюсы

Минусы

Импульсный
  • дальность до 1000 м
  • менее точные
  • более медленное получение данных
  • более шумные
  • опасны для глаз
Фазовый
  • более точные
  • более быстрое получение данных
  • менее шумные
  • безопасны для глаз
  • обычная дальность не более 100 м

    

Преимущества времяпролетных сканеров 

Источник: balena.io

Суммируя информацию о принципе работы и различиях двух типов времяпролетных сканеров, выделим их основные преимущества.

  • 3D-сканирование миллионов точек за одно сканирование — до 1 миллиона точек в секунду;
  •  Большая область сканирования (до 1000 метров);
  •  Хорошая точность и разрешение, в зависимости от размера объекта;
  •  Бесконтактный принцип работы для безопасного сканирования всех типов объектов;
  •  Портативность.

   

История и сферы применения времяпролетного принципа

Источник: nunnovation.com

Первый случай применения времяпролетного принципа произошел в 1971 году, когда НАСА запустила ракету «Сатурн V», как первый шаг в лунной миссии Аполлона-15.

Технология лидар использовалась для съемки поверхности Луны с орбиты с высокой степенью детализации, которую не удавалось получить ранее. Этот принцип также использовался для картирования поверхности Марса и топологии Земли, а также для измерения планетарного расстояния, например — от Земли до Марса.

На фото — карта поверхности Луны, полученная с лидарных сканов Аполлона 15 .

Источник:  all3dp.com

Этот принцип также использовался для определения ущерба, нанесенного Королевским пожаром в Национальном лесу Эль-Дорадо в Калифорнии в 2014 году. Это помогло дать точные ответы на вопросы о серьезности и степени ущерба. Поскольку лидар можно использовать для картирования больших площадей, технология может быть полезна для изучения окружающей среды.

Источник:  all3dp.com

Например, лидар может быть использован для определения того, какие районы могут быть уязвимы в будущем, в случае таких бедствий как наводнения. Как и в случае с «Королевским пожаром», его также можно использовать для оценки ущерба после стихийного бедствия и определения того, на чем следует сосредоточить усилия по восстановлению. Лидар можно использовать не только для картирования, но и для поиска потерянных городов — обнаружения структур под густыми зарослями. Один из таких проектов нашел затерянный город в Мексике, в котором, вероятно, было столько же зданий, сколько на Манхэттене.

Источник: all-electronics.de

Как импульсные, так и фазовые лазерные 3D-сканеры отлично подходят для сканирования больших объектов, таких как здания, постройки, воздушные и морские суда, военные транспортные средства. Фазовые сканеры лучше работают на средних расстояниях и подходят для автомобилей, больших насосов и промышленного оборудования.  

Источник: carmagazine.co.uk

Для небольших или низкобюджетных строительных проектов 3D-пролетная технология может быть непрактична, из-за ее стоимости. Такие сканеры предпочтительны для серьезных и крупных проектов, таких как картирование пойм (затопленных территорий) и зданий. Зачастую времяпролетные сканеры применяются для землеустроительных работ.

Миниатюрные лидары также используются для решения некоторых нишевых задач: при создании беспилотных и ассистирующих автомобилей, роботов. 

   

Кейсы применения времяпролетных сканеров

Экономия  $ 28 000 с помощью FARO Focus3D X 330

Источник: faroukraine.com

ДТП с серьезными травмами и летальным исходом приводят к длительному перекрытию проезжей части. Команда CRAFT округа Клакамас (штат Орегон, США)  получила задание сократить время перекрытия дорог и быстрее возобновлять движение транспорта. 

Решение: Межведомственная группа по реконструкции, с одним штатным сотрудником и 18 специалистами по вызову, приобрела лазерный сканер FARO Focus3D X 330.

Источник: polymadesurveying.com

Устройство помогает специалистам ускорить процесс работы и сделать его более точным, с более высоким уровнем детализации, чем с использованием любого другого метода. Возможности сканера также позволили команде CRAFT выезжать на большее количество вызовов, благодаря меньшим затратам ресурсов и времени. Инциденты, которые ранее не соответствовали критериям вызова CRAFT, но все еще были очень серьезными, теперь также рассматриваются командой. 

Источник: lawofficer.com

CRAFT теперь привлекают для сканирования мест происшествий всякий раз, когда происходит стрельба, авария с участием офицера или другой подобный случай под юрисдикцией округа или города. Сканер предоставляет следователям уникальную возможность точно восстановить место происшествия.

По словам криминалиста О'Нила, при расследовании стрельбы с участием офицера вы можете расположить вид облака точек на уровне глаз участника событий. Когда вы двигаетесь через облако, вы можете видеть сцену именно так, как ее видел он.

Источник: faro.com

Внедрение сканера действительно сократило время закрытия проезжей части и всего за 16 месяцев эксплуатации сэкономило офису шерифа округа Клакамас более $28 000, только за счет сокращения расходов по оплате сверхурочной работы специалистов по реконструкции. 

   

Сканирование Нью-Йоркского небоскреба с помощью сканеров Leica

Фасад и крыша здания. Источник: printostat.com

Этот нью-йоркский небоскреб был отсканирован сотрудниками компании Printostat для того, чтобы предоставить клиенту 3D-снимки здания со всех сторон — четырех фасадов и крыши, и основанную на них техническую документацию.

Профессиональные сканеры Leica ScanStation позволили полностью захватить данные, без необходимости использования опасных строительных лесов и оформления разрешения городских властей на их установку. Лазерные сканеры смогли собрать все необходимые измерения здания за несколько сеансов съемки с окружающих тротуаров и крыш соседних зданий. Дополнительные сканы были сделаны на крыше самого здания, чтобы захватить детали, необходимые для чертежа плана крыши. На фотографиях представлены результаты сканирования.

Чертежи внешнего рельефа и план крыши были созданы на основе облака точек. Источник: printostat.com

  

Surphaser 100HSX: Турбина Atlantis и Boeing747

С помощью лазерного сканера Surphaser 100HSX были созданы 3D-модели нескольких объектов.

Была отсканирована турбина производства компании Atlantis Resources Corporation. Сканирование заняло около 5 часов и 16 сеансов сканирования. Автор отмечает, что имея опыт работы со сканером, можно сделать это быстрее. Данные были обработаны в файлы .ptx с помощью программного обеспечения Surphaser, а затем импортированы в Cyclone для регистрации в облачном сервисе. Основная турбина была смоделирована в Inventor 2013 с использованием встроенной поддержки Autodesk Pointcloud. Разъем с внутренней резьбой внутри был залит в Geomagic и экспортирован как файл .stl. Обработка и моделирование заняли около 8 дней.

Источник: surphaser.com

Также было проведено сканирование Boeing747. Для создания модели понадобилось 12 сканов, 380 миллионов точек. Процесс сканирования занял 3 часа. Время обработки: 5 часов на создание модели и 6 часов на CAD-моделирование обшивки нижней поверхности фюзеляжа по данным сканирования. 

Источник: surphaser.com

   

Новые возможности с Leica RTC360

Источник: globalsurvey.co.nz

Когда лазерный сканер, который использовала новозеландская компания Envivo вышел из строя, команда тщательно изучала рынок в поисках лучшей замены. Их выбор пал на времяпролетный сканер Leica RTC360

В нескольких уже начатых проектах для промышленных предприятий, исторических и коммерческих зданий, жилых домов специалисты сразу же включили в работу новоприобретенный сканер. 

Менять пришлось не только сканер: команда Envivo была вынуждена совершенствовать весь техпроцесс, учитывая технические возможности нового сканера — с RTC360 процессы обработки данных должны были быть также модифицированы, чтобы использовать преимущества скорости нового оборудования.

Источник: globalsurvey.co.nz

«Система настолько быстрая, что нам пришлось изменить процесс работы на местах, поскольку у нас нет свободного времени между сканированиями, к которому мы привыкли. Постобработка в офисе также нуждалась в изменениях — HDR базы данных, с которыми мы работаем сейчас, намного больше, и это требует внимания, однако — хорошо продуманное программное обеспечение Cyclone Register 360 берет  всю тяжелую работу на себя», — комментируют в Envivo.

Источник: globalsurvey.co.nz

Среди преимуществ нового сканера, которые отметила команда, были следующие:

  • Высокая скорость; 
  • Возможность  предварительной обработки на iPad в полевых условиях, что значительно ускоряет как сканирование, так и постобработку;
  • Нет потребности рисовать скан-макеты;
  • Возможность проверить и завершить выравнивание сканов на ходу;
  • Технология VIS незаметно выполняет большую часть работы в фоновом режиме, iPad используется для окончательной проверки и усовершенствования связей между облаками точек;
  • Функция HDR создает высококачественные изображения в темноте;
  • Хорошее качество и точность данных облака точек. 

   

Расширение шахт на основе данных 3D-сканирования

Источник: linkedin.com

Полезные ископаемые в регионе Сэвидж-Ривер в Австралии были обнаружены еще в 1887 году. Владельцы и планы по эксплуатации менялись несколько раз. По словам нынешнего владельца, операция на железном руднике продолжится до 2034 года, а объемы производства железорудных окатышей высокого качества будут увеличены с 2 до 2,7 млн тонн в год. Добиться этого руководство планирует с помощью лазерного сканера I-Site XR3. 

Источник: geo-matching.com

Сравнивая результаты измерений лазерными технологиями с традиционным методом (GPS и тахеометрами), старший геодезист Майкл Садурал отмечает большую эффективность 3D-сканирования. 

Источник: maptek.com

Теперь работники легко проводят еженедельное обновление данных о карьере, обследование карьера и запасов ископаемых в конце месяца, еженедельное обновление данных об отвалах, топографическую съемку главного хвостохранилища. Так обновляется информация о развитии проекта, исследуются объемы запасов ископаемых в Порт-Латта и составляются отчеты о соответствии проекта заданным требованиям. Помимо этого, система используется для своевременного обнаружения камнепадов и движения стен, а также в геотехническом и структурном картографировании участков. На фото — 3D-модель разработки Сэвидж-Ривер.

Источник: maptek.com

В Savage River используется установленная на автомобиле система, предназначенная для исследования на ходу с остановками, а также штатив. Времяпролетный сканер I-Site XR3 прочен и защищен от влияния окружающей среды, бесперебойно функционирует в суровых погодных условиях на руднике. 

«Одним из наиболее продуктивных и экономически выгодных решений было приобретение лазерного 3D-сканера Maptek I-Site XR3 и программного обеспечения I-Site Studio для него», — комментирует Майкл Садурал.

    

Измерение движений в австралийских шахтах по добыче золота

Источник: mining.com

Компания Consolidated Mining & Civil (CMC) приобрела систему мониторинга Maptek Sentry для использования на золотом руднике Portia компании Havilah Resources Limited в Южной Австралии.

Источник: maptek.com

Решение Sentry представляет собой активную систему мониторинга движения стен и уведомления о потенциально небезопасных участках карьера. Лазерный сканер I-Site 8820 с большим радиусом действия и специальное программное обеспечение помогают работникам участка измерять и анализировать непредсказуемые движения стен рудников.

Источник: youtube.com 

CMC отвечает за удаление вскрышных пород и вывоз руды на поверхность шахты Portia, которая находится в 100 км на северо-запад от регионального центра золотодобычи Broken Hill. В Portia золотоносный слой находится на 2-3 метра ниже слоя мягкой глинистой толщи высотой в 60-70 метров (около 7 миллионов кубометров), которая удаляется для доступа к руде. Поэтому точная информация о целостности стен имеет решающее значение, особенно для безопасности работников. 3D-сканирование позволяет измерять любое движение в стенах шахты с точностью до нескольких миллиметров. 

   

Исследование зон сдвига c помощью I-Site  8820

Источник: maptek.com

В 2016 году AECOM заключил контракт с Maptek на проведение лазерного сканирования карьера компании в Виктории (Австралия) в рамках геотехнических исследований. Holcim владеет несколькими каменоломнями, песчаными и гравийными карьерами в Австралии и добывает стройматериалы. Задача состояла в том, чтобы просканировать весь карьер и извлечь подробную геотехническую информацию для кинематического анализа карьера. 

Источник: maptek.com

Лазерный сканер Maptek I-Site 8820 был установлен на штатив. Поскольку данные регистрировались с использованием встроенного GPS, каждая установка включала сбор сканирования площади 360° с меньшим разрешением и определенного участка с гораздо более высоким разрешением. 

34 сканирования  позволили получить 53 миллиона точек с корректным пространственным расположением за четыре часа. Данные с более высоким разрешением включают в себя сканы для геотехнического анализа сделанные с расстояния в 100 метров, с расстоянием между точками в 87 мм. 

Основные видимые зоны сдвига были нанесены на карту для выявления нарушений сплошности горных пород. ПО I-Site Studio позволяет пользователю расширять разрывы для визуализации пересечений в карьере, как показано на фото ниже.

Источник: maptek.com

Зоны сдвига могут быть легко идентифицированы по данным сканирования и оцифрованы в 3D-формат для определения их масштабов. В то время как выстроенная из полученных данных стереосетка помогает анализировать зоны сдвига, диаграмма полезна для изучения их характера и степени постоянства.

Источник: maptek.com

    

Рекомендуемое оборудование

FARO Focus 

Источник: ats.se

Производитель FARO Focus предлагает модели времяпролетных сканеров серии X, а именно Focus3D X 330 и Focus3D X 130. Оба сканера оснащены GPS и сканируют даже при прямом солнечном свете. Благодаря функции дистанционного сканирования и практически неограниченному объему сканируемых данных, которые сохраняются в SCENE Webshare Cloud, оборудование позволяет решать задачи лазерного сканирования с сохранением высокой мобильности.

Сравнение двух моделей:

Модель Точность измерения с расстояния Диапазон Шумоподавление
Focus3D X 330 до ±2 мм 0,6 — 130 м 50%
Focus3D X 130 до ±2 мм 0,6 — 330 м 50%

Источник: ats.se

   

Leica Geosystems 

Производитель Leica Geosystems предлагает сразу несколько моделей времяпролетных лазерных сканеров, среди которых портативные (Leica SiTrack:One и Leica Pegasus:Backpack) и наземные (Leica RTC360, Leica ScanStation P50, Leica BLK360, и Leica ScanStation P30). 

Особый интерес вызывает последняя модель, так как Leica BLK360 является самым маленьким лазерным 3D-сканером на сегодняшний день. Устройство весит всего 1 кг и удобно для сканирования как в помещении, так и снаружи. 

Источник: top3dshop.ru

Сканирование в 360°, с захватом фотоизображений в формате HDR, сканер выполняет менее чем за три минуты. Скорость сканирования — 360 000 точек в секунду, дальность — 60 метров. Устройство оснащено системой из 3 камер с разрешением 15.1 МПикс. Сканер совместим с iPad Pro, куда сразу же передаются все полученные данные, и отличается высокой емкостью батареи — более 40 сеансов сканирования на одной зарядке. 

   

Surphaser

Источник: exactmetrology.com

У этого производителя есть ряд конфигураций двух моделей времяпролетных 3D-лазерных сканеров Surphaser 25HSX и Surphaser 100HSX. Ниже представлена таблица, где указаны технические характеристики времяпролетного 3D-сканера Surphaser по конфигурациям моделей. 

Конфигурация 75USR, класс 3R 100SR, класс 3R 100IR, класс 3R 400 HQ, класс 1 400 HP, класс 1
Рекомендуемая дистанция сканирования (м) 0.25-2.5 1-7 1-35 1-140 1-110
Зона неопределенности (мм)

<0.15 на 

1.5 м

<0.3 на 

3 м

<0.35 на 

5 м

<0.7 на 

15 м

<0.9 на

15 м

Диапазон шума, мм, при отражательной способности 90%

0.025 на 

0.3-2 м

0.024 на 

4 м

0.07 на 

10 м

0.07 на 

1-30 м

0.2 на 

1-30 м

Диапазон шума, мм, при отражательной способности 10%

0.07 на 

0.5-1.8 м

0.088 на 

4 м

0.41 на 

10 м

0.15 на 

1-15 м

0.4 на 

1-15 м

Эти сканеры достаточно компактны, вес составляет 11 кг. Они предназначены для работы в промышленных зонах и на открытых пространствах. Их основное преимущество — высокая скорость сканирования, а также точность и качество данных, которые автоматически формируют цветное облако точек. 

  

Заключение

Большой выбор времяпролетных лазерных 3D-сканеров способен удовлетворить любые потребности покупателя. Можно подобрать сканер для работы как на средних, так и на дальних дистанциях, со штативом или портативный.

Если вам необходима помощь в выборе устройства — обращайтесь: специалисты Top 3D Shop помогут выбрать времяпролетный 3D-сканер максимально подходящий под ваши цели и задачи.

1 голос, в среднем: 5 из 5
Эта информация оказалась полезной?

Да Нет


Читайте также
06 сентября 2019 234
Лазерные 3D-сканеры: обзор и применение
Лазерные 3D-сканеры и их применение.
Читать далее
04 декабря 2016 1731
3D-сканеры до 500 000 рублей
Обзор доступных 3D-сканеров стоимостью до 500 000 рублей.
Читать далее
04 декабря 2017 1556
3D-сканирование автомобилей в тюнинге и ремонте
Рассказываем о применении 3D-сканирования автомобилей.
Читать далее
20 февраля 2019 953
Обзор 3D-сканеров Metronor
Обзор с видео: 3D-сканеры Metronor.
Читать далее
Технопарк «Калибр», Годовикова, 9, строение 16, офис 1.2 Москва, Россия +7 (499) 322-23-19