Как работает лазерный сканер

Обновлено: 02.07.2024

Прежде всего, давайте проясним, что 3D-лазерное сканирование — это не волшебство. Правда, технологии, которые делают это возможным, очень продвинуты и весьма удивительны. Но за зеркалами, найденными в лазерном зонде (без дыма), скрывается много ноу-хау и опыта, которые делают процесс лазерного сканирования таким простым для клиентов Laser Design.

Прочитайте или посмотрите наше видео о том, что такое 3D-сканирование?

Что такое 3D-сканирование?
3D-лазерное сканирование — это бесконтактная неразрушающая технология, которая в цифровом виде фиксирует форму физических объектов с помощью линии лазерного луча. Лазерные 3D-сканеры создают «облака точек» данных с поверхности объекта. Другими словами, лазерное 3D-сканирование — это способ передать точные размеры и форму физического объекта в компьютерный мир в цифровом трехмерном представлении.

3D-лазерные сканеры измеряют мелкие детали и захватывают произвольные формы для быстрого создания высокоточных облаков точек. Лазерное 3D-сканирование идеально подходит для измерения и проверки контурных поверхностей и объектов сложной геометрии, для точного описания которых требуются большие объемы данных и где это невозможно сделать с помощью традиционных методов измерения или контактного щупа.

Процесс 3D-сканирования:

Сбор данных с помощью лазерного 3D-сканирования
Процесс лазерного 3D-сканирования Объект, подлежащий лазерному сканированию, помещается на платформу дигитайзера. Специализированное программное обеспечение управляет лазерным зондом над поверхностью объекта. Лазерный зонд проецирует линию лазерного луча на поверхность, в то время как две сенсорные камеры непрерывно фиксируют изменение расстояния и формы лазерной линии в трех измерениях (XYZ), когда она движется вдоль объекта.

Результирующие данные
Форма объекта проявляется в виде миллионов точек, называемых «облаком точек», на мониторе компьютера, когда лазер перемещается, захватывая всю форму поверхности объекта. Процесс очень быстрый, собирая до 750 000 точек в секунду и очень точный (до ±0,0005″).

Выбор модели зависит от приложения
После того, как огромные файлы данных облака точек созданы, они регистрируются и объединяются в одно трехмерное представление объекта и подвергаются постобработке с помощью различного программного обеспечения. пакеты, подходящие для конкретного приложения.

Данные облака точек для проверки
Если данные будут использоваться для проверки, отсканированный объект можно сравнить с номинальными данными САПР дизайнера. Результат этого процесса сравнения предоставляется в виде «отчета об отклонении цветовой карты» в формате PDF, в котором графически описываются различия между данными сканирования и данными САПР.

Модель САПР для обратного проектирования
Лазерное сканирование — это самый быстрый, точный и автоматизированный способ получения трехмерных цифровых данных для обратного проектирования. Опять же, используя специализированное программное обеспечение, данные облака точек используются для создания 3D-модели CAD геометрии детали. Модель САПР позволяет точно воспроизвести отсканированный объект, или объект можно изменить в модели САПР, чтобы исправить недостатки. Laser Design может предоставить модель поверхности или более сложную твердотельную модель, в зависимости от того, какие результаты необходимы для приложения.

Есть дополнительные вопросы? Ознакомьтесь с нашим глоссарием, подпишитесь на нашу электронную рассылку, посмотрите видео о 3D-лазерном сканировании или задайте свой вопрос!

Традиционно для съемки больших площадей использовались инструменты, производящие измерения в одной точке, такие как рулетка, рояльная струна, отвесы, лазерные дальномеры и тахеометры. Хотя они являются привычными инструментами, они часто требуют много времени, часто занимая дни, недели или месяцы в зависимости от места. Кроме того, традиционные инструменты часто приводят к несоответствиям в измерениях от пользователя к пользователю, и в конечном итоге данные часто теряются, что может привести к каскадным неточностям.

Напротив, лазерные сканеры — это бесконтактные устройства, которые фиксируют миллионы дискретных точек данных для измерения объекта или пространства с использованием лазерной инфракрасной технологии, которая создает подробные трехмерные изображения за считанные минуты. Изображения содержат миллионы точек 3D-данных, известных как облако точек.

Итак, как им удается все это делать так быстро? Лазерный сканер излучает луч инфракрасного лазерного света на вращающееся зеркало, которое эффективно окрашивает окружающую среду светом. Головка сканера вращается, проводя лазером по объекту или области.Объекты на пути лазера отражают луч обратно в сканер, обеспечивая геометрию, которая интерпретируется в 3D-данные. В дополнение к измерению расстояния лазерные сканеры также выполняют измерения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, предоставляя полный набор данных измерений.

Лазерный сканер обычно собирает данные через два типа систем:

Времяпролетные системы. Также известные как системы измерения импульсов, они работают, испуская одиночный импульс лазерного излучения и определяя расстояние до конечной точки путем измерения времени, необходимого для отражения света обратно в датчик на сканере.
Системы с фазовым сдвигом. Точно так же эта система также использует испускаемый лазерный свет, но в этой системе интенсивность света модулируется с помощью определенных форм волны. Отражение картины интенсивности вытесняется ударом о поверхность объекта. Измерение смещения между отправленным и принятым лазерным сигналом обеспечивает точный расчет расстояния. Как правило, лазерные сканеры, использующие системы фазового сдвига, являются точными, быстрыми и предоставляют данные с высоким разрешением.

Приложения и отрасли:

Лазерные сканеры универсальны, просты в использовании и перемещении, а также точны, что делает их идеальным инструментом для многих приложений и отраслей:

Правоохранительные органы и пожарная безопасность. Лазерные сканеры – эффективные инструменты для документирования мест преступлений, реконструкции мест аварий и происшествий, анализа мест пожаров, проведения судебно-медицинских экспертиз и многого другого. Лазерное сканирование экономит часы времени документирования и сохраняет цифровую копию сцен, которые могут быть уязвимы для окружающей среды.

Безопасность и защита. Лазерные сканеры собирают очень подробные и ценные данные, которые сотрудники службы безопасности используют для спасения жизней при реагировании на потенциальные угрозы.

Страхование: лазерные сканеры используются для документирования фактического состояния имущества в определенный момент времени, что полезно для определения базовой стоимости и обязательств, а также для документирования убытков, связанных с транспортными средствами, поврежденным имуществом или продуктами.

Нефть и газ. Лазерное сканирование хорошо подходит для проектирования, обслуживания и планирования на нефтяных платформах и нефтеперерабатывающих заводах. Они также очень полезны при документировании сложных конструкций трубопроводов, чтобы избежать проблем или ошибок при установке.

Наследие и историческое наследие: лазерное сканирование может документировать сложную геометрию существующих зданий, чтобы изучать, сохранять или восстанавливать их.

Обследование участка: лазерные сканеры можно использовать для расчета объемов, а также для топографических и исполнительных съемок.

Строительство. Лазерное сканирование может обеспечить непрерывную проверку в полевых условиях на каждом этапе жизненного цикла строительного проекта, помогая предсказывать и предотвращать ошибки и обеспечивая значительную экономию затрат, брака и времени.

Архитектурное и гражданское строительство: лазерные сканеры полезны для получения исполнительной документации существующих зданий и разработки 3D-моделей в рамках планирования проекта.

Управление объектами и документация по объектам. Лазерное сканирование предоставляет точные данные о сложных заводских и заводских установках, что полезно при обслуживании и документировании объектов и объектов.

В каждом сценарии применения лазерный сканер дает точные результаты за меньшее время и с меньшим количеством ошибок, чем другие, более традиционные методы. А в некоторых случаях, таких как документирование преступлений и аварий, сэкономленное время дает дополнительные преимущества, такие как возможность раньше открывать дороги для публики. В приложениях, требующих работы на открытом воздухе, лазерные сканеры могут документировать сложные области, где неблагоприятная погода вызывает беспокойство.

Что такое лидар? Как работает лидар? Мы объясним, как работает LiDAR, и процесс, связанный с получением необработанных данных сканирования и преобразованием их во что-то ценное.

Что такое лидар? Как работает лидар? Если вы новичок в этом вопросе или просто хотите узнать, как на самом деле работают сканеры, на которые вы полагаетесь, вы обратились по адресу.

Light D etection and R anging (LiDAR) — это времяпролетный метод измерения, в котором используются лазеры для точного измерения расстояний, очень похожие на его более известный двоюродный брат RADAR. LiDAR был одним из первых применений лазеров после их изобретения в 1960-х годах. Первые попытки были с воздуха, с использованием самолетов в качестве платформы для лазерного луча.

Наземные лидары начали появляться только после появления GPS и инерциальных измерительных блоков (IMU) в конце 1980-х годов. Сегодня технологии и методы LiDAR можно использовать для сбора измерений, которые используются для создания 3D-моделей и карт объектов и сред.

Здесь мы собираемся объяснить, как работает LiDAR, и процесс, связанный с получением необработанных данных сканирования и преобразованием их во что-то ценное. Углубляясь в некоторые технологические достижения, влияющие на LiDAR, наша цель — улучшить ваш доступ к этой развивающейся технологии. Но сначала нам нужно объяснить еще несколько основ.

Что может измерить LiDAR?

Используя ультрафиолетовый, видимый или ближний инфракрасный свет, LiDAR отображает пространственные отношения и формы, измеряя время, которое требуется сигналам, чтобы отразиться от объектов и вернуться в сканер. Хорошей аналогией является эхолокация, используемая летучими мышами, чтобы определить, где находятся объекты и как далеко они находятся.

LiDAR может нацеливаться на широкий спектр материалов, включая неметаллические объекты, камни, дождь, химические соединения, аэрозоли, облака и даже отдельные молекулы. Узкий лазерный луч может отображать физические объекты с очень высоким разрешением — например, самолет может отображать местность с разрешением 30 см (12 дюймов) или лучше.

Сканеры LiDAR (часто также известные как лазерные сканеры) могут выполнять подробные измерения для целых комнат, зданий или даже городов, используя несколько сканирований. Каждое отдельное сканирование состоит из миллионов отдельных измерений. Но каждое сканирование выполняется в пределах прямой видимости, поэтому потенциально необходимо много сканирований, чтобы получить полное трехмерное изображение объекта.

Понимание процесса совмещения множества сканов, необходимых для охвата сцены, является ключом к пониманию LiDAR и всего, что нужно для превращения лазерных сканов в работоспособную 3D-модель или визуализацию виртуальной реальности. После обработки и систематизации отдельных показаний данные LiDAR становятся данными облака точек.

Построение облака точек: по одной координате за раз

Существуют разные способы сбора данных с помощью LiDAR: с земли, с воздуха и со спутника (высотомеры, а не сканеры). Также существует три типа LiDAR: топографическое картографирование земли, батиметрическое использование зеленого света для измерения под водой и наземное картографирование зданий, объектов и природных объектов. Итак, давайте возьмем в качестве примера наземный сканер LiDAR, чтобы увидеть, как он работает.

Наземный LiDAR обычно использует лазерный сканер, установленный на штативе . Наземные инструменты LiDAR очень точны, в среднем около +/- 3 мм на точку сканирования для статического сканирования. На рынке существует множество наземных систем LiDAR, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Наземные лазерные сканеры в широком смысле можно определить как фазовые или времяпролетные. Фазовые сканеры работают, измеряя изменение фазы лазерного излучения. Преимуществом этой технологии является значительное увеличение скорости сбора данных (свыше миллиона точек в секунду).

Времяпролетные сканеры излучают свет (импульсный или поток), который измеряет время, необходимое для прохождения от сканера до объекта и обратно, что позволяет сканеру рассчитать расстояние. Преимущество этого заключается в том, что данные могут быть получены на гораздо больших расстояниях, чем фазовые решения.

Датчики сканируют из стороны в сторону в заданном диапазоне и поле зрения с помощью лазерного луча. Они передают свет, а датчик имеет детектор, который улавливает отражение от объектов. По сути, они записывают время, которое требуется, делят на два и умножают на скорость света, чтобы получить расстояние.

Опросы на основе LiDAR могут генерировать очень большие наборы данных, состоящие из миллиардов точек данных. Для работы с данными LiDAR и лазерного сканирования необходимо специальное программное обеспечение.

Регистрация сканирования: от одного сканирования до полного охвата

Чтобы превратить несколько сканов в единое полное изображение сцены, каждый из них должен быть выровнен с каждым окружающим его сканом. Этот процесс выравнивания сканирования называется «регистрацией». Это автоматизированный процесс, выполняемый одним из трех основных способов: с использованием данных о местоположении, с использованием целей и с использованием природных объектов.

Знание точного местоположения сканера необходимо для создания пригодного для использования набора данных об окружающей среде. Каждое отдельное сканирование содержит измерения с точностью до миллиметра. Чтобы конечное составное облако точек сохраняло этот уровень точности, каждое отдельное сканирование должно быть выровнено с соседними с такой же степенью точности.

Целевая регистрация

Проблема выравнивания облаков точек традиционно решалась с помощью «целей». Это могут быть отдельно стоящие сферы или надводные цели в виде шахматной доски. Благодаря перекрытию соседних сканирований и обеспечению того, что они имеют общие цели, сканы могут быть «исправлены». Накладывая общие цели, можно точно объединить несколько сканирований для создания полной и точной карты.

Это надежный и надежный метод решения проблемы регистрации облака точек.Проблема в том, что это медленно и обманчиво сложно. Обычно для каждой пары сканирований требуется не менее трех целей. Необходимо выбрать подходящее место для этих целей и вручную разместить цели. Чем сложнее и динамичнее среда, тем сложнее этого добиться.

Бесцелевая регистрация

Что, если бы вы могли провести регистрацию без всего этого размещения целей на сайте? Отказ от необходимости использовать цели «регистрации» был святым Граалем генерации облака точек. Идея «безцелевой регистрации» была проста: вместо использования искусственных целей вы могли использовать общие естественные функции для контекстного «исправления» соседних сканирований.

Но была проблема — безцелевое сканирование основывалось друг на друге, используя сами данные сканирования, часто в совокупности. Если данные любого одного сканирования имеют низкое качество, это может повлиять на всю модель. Чтобы бесцелевая регистрация работала, во время обработки необходимо было выявить и устранить искажения, вызванные движением. Чтобы безцелевая регистрация работала корректно, такие неточности должны выявляться автоматически без ручного вмешательства.

Введите алгоритм

Недостающим стержнем для разработки практической бесцелевой регистрации было программное обеспечение для автоматизированной обработки, чтобы исключить ручное участие в процессе регистрации и выравнивания. Алгоритмы машинного обучения и новый подход к векторному анализу стали катализатором этого изменения.

В конечном итоге это приводит к более быстрой процедуре обработки с меньшим количеством ручных операций. Создатели облака точек теперь могут ставить сканирование в очередь для автоматической обработки и просто возвращаться к нему после завершения. Постановка сканирования в очередь для ночной регистрации теперь позволяет выполнить множество проектов по работе с облаком точек за один день, на что раньше уходила неделя.

LiDAR — это то, как работают лазерные сканеры

Итак, это LiDAR. Надеюсь, мы прояснили самую запутанную вещь в LiDAR — это и процесс, и технология в одном лице. Часто его используют как универсальное для описания лазерных сканеров. Однако, если точнее, LiDAR — это процесс, посредством которого работают эти сканеры. Помните, что LiDAR измеряет время, необходимое лазеру для перемещения к объекту, а затем отражает лазерный свет обратно в сканер, и использует эту информацию для измерения расстояния. Мы также надеемся, что объяснили другой важный факт о LiDAR, о котором следует помнить: чтобы получить максимальную отдачу от LiDAR, убедитесь, что вы понимаете, как регистрируются облака точек.

Самый простой способ думать о лазерном сканировании "время полета" — рассматривать его как не более чем лазерный дальномер. Я думаю, все мы понимаем, как работает лазерный дальномер. По сути, он измеряет расстояние, направляя лазерный луч на объект и измеряя, сколько времени требуется этому лазерному лучу, чтобы вернуться обратно. Зная скорость света (лазерного луча) и измеряя время, я думаю, мы все можем понять, что расстояние вычисляется путем умножения времени на два и умножения его на константу скорости света.Любой, кто разбирается в геодезии, понимает, что для вычисления координат x, y, z необходимо знать расстояние до объекта, азимут (горизонтальный угол от известной линии) до объекта и вертикальный угол (угол от силы тяжести) до точки. объект.

Сравнение фазы и времени полета

Поэтому времяпролетный сканер всего лишь измеряет расстояние, а также горизонтальный и вертикальный углы для каждого положения, в котором он находится. Это достигается за счет перемещения сканера по сетке в горизонтальной плоскости на 360° и примерно на 330° в вертикальной плоскости. Вот почему «времяпролетное» сканирование существенно медленнее, чем «фазовое». Головка сканера должна фактически занимать все позиции сетки для каждой позиции x, y, z. Сканирование по времени полета известно для большей дальности, но более медленного времени захвата. Скорость захвата всегда колебалась около 50 000 точек в секунду, но с дальностью 300 метров. Совсем недавно на рынок был выпущен сканер «время полета» на миллион точек в секунду, но диапазон составляет всего 120 метров. Больше соответствует фазовым сканерам. Однако дальность была уменьшена до 120 метров с 300+ метров. Будет интересно посмотреть, какая технология победит: «временная» или «поэтапная».

На основе фазы

Фазовое сканирование использует постоянный луч лазерной энергии, излучаемый сканером. Затем сканер измеряет фазовый сдвиг возвращающейся лазерной энергии для расчета расстояний. В остальном все то же, что и у сканера «время пролета». Фазовые сканеры могут собирать данные со скоростью более миллиона точек в секунду. Однако их диапазон ограничен примерно 80 метрами. Фазовые сканеры в основном подходят для работы на промышленных предприятиях и внутри зданий .

Читайте также: