Методи реєстрації 3D сканів

Описание блог поста.

Andrii Malitskyi

2021-03-31 1 min read

У більшості випадків 3D сканування вимагає проведення вимірювань з багатьох станцій стояння приладу. Це забезпечує повноту зібраних даних для моделювання поверхні. Але разом із створенням кількох станцій сканування, під час попереднього опрацювання сканів, виникає помилка зшиття хмар точок в єдину точкову модель, яку слід віднести до методологічних помилок. Тому, процес реєстрації сканів є дуже важливим етапом сканування, адже він забезпечує правильність вихідних даних зі сканування для подальшого опрацювання.

Для реєстрації сканів можна виділити 2 групи методів реєстрації сканів: польова та камеральна (рис.). Польова реєстрація сканів визначає, що хмари точок орієнтуються під час роботи сканера на станції сканування, а камеральна – після опрацювання за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення. Основні недоліки та переваги цих методів реєстрації, наведені у [Towards an automatic registration for terrestrial laser scanner data] та [Шульц Р.В. Преимущества и недостатки различных методов сшивки лазерных сканов]. На думку автора даної роботи, у [Шульц Р.В. Преимущества и недостатки различных методов сшивки лазерных сканов] деякі окремі методи реєстрації сканів є лише способом реалізації одного методу, а тому їх слід систематизувати:

1. Знімання по методу «відомої станції».

Суть методу полягає у встановленні сканера на точку з відомими координатами. Точкою з відомими координатами може бути геодезичний пункт або пункт, координати якого встановлені за допомогою тахеометра чи GNSS-приймача. У даній методиці крім точки встановлення також необхідна точка наведення («задня» точка), яка встановлює орієнтацію сканів. Через це, координати точки орієнтування не є обов’язковими. Важливо, щоб точка наведення кожного скану, була зафіксована на попередньому скані. В іншому випадку, скани не будуть зорієнтовані в одному напрямі. Даний метод орієнтування станцій знімання широко використовується при тахеометричному зніманні. Він передбачає оснащення лазерного сканера центриром, можливістю приєднання ГНСС-антени та наведення на задню точку, наприклад наземний лазерний сканер Leica Scan Station C10 [Література]. У випадку, якщо такі можливості сканером не передбачені, то використання даного методу реєстрації сканів не є можливим. Тоді слід застосовувати інший метод реєстрації сканів. Зважаючи на проблематику використання даного методу реєстрації сканів, знімання по методу «відомої станції» в даній роботі не буде в подальшому розглядатися.

2. Метод оберненої засічки

Метод базується на визначенні координат марок з невідомої точки. Для реалізації цього методу необхідно, щоб на одному скані було відомо координати щонайменше трьох марок. Чим більше буде відомих координат точок скану, тим з вищою точністю будуть зорієнтовані скани, а отже і складена точкова модель об’єкту. Марки не обов’язково мають розміщуватися таким чином, щоб бути спільними для кількох сканів, але їх координати мають бути визначені в одній системі координат і з високою точністю.

Застосуванню цього методу передує використання електронного тахеометра. За допомогою тахеометра створюється планово-висотна мережа у якій визначаються координати марок чи характерних точок місцевості, потрібних для реєстрації сканів.

У визначення координат точок планово-висотного обґрунтування проводиться у наступній послідовності:

• складання проекту мереж основного і робочого планово-висотного обґрунтування;
• закріплення точок основного планово-висотного обґрунтування;
• врівноваження результатів польових вимірювань і складання каталогу координат точок основного планово-висотного обґрунтування. Оцінка точності створеної мережі;
• створення робочого планово-висотного обґрунтування на основі основного;
• складання каталогу координат точок робочого планово-висотного обґрунтування

Робоче планово-висотне обґрунтування являє собою мережу згущення, точки якої є центрами марок реєстрації сканів. Оцінку точності створення робочого обґрунтування можна виконати шляхом багаторазового вимірювання центрів марок або визначенням координат одних і тих же марок з різних пунктів основного знімального обґрунтування. Якщо сканер оснащений центриром, то точки основної планово-висотної мережі можна використати у якості станцій сканування.

Такий метод орієнтування сканів актуальний при макшейдерських роботах. Використання даного методу орієнтування сканів описано у [Гриднев. Разработка и исследование способа ориентирно-соединительной съемки с применением лазерных сканирующих систем]. Саме за таких умов використання методу оберненої засічки є доцільним, що випливає з аналізу даної роботи. Але при інших умовах обмірів, використання локальної системи координат та попереднє координування точок планово-висотної основи за допомогою інших геодезичних приладів є суттєвими аргументами у виборі іншого методу реєстрації сканів.

3. Реєстрація сканів методом суміщення спільних точок

Метод також не передбачає центрування сканера над визначеним пунктом, а опорними точками зшиття виступають марки, характерні точки або об’єкти місцевості. Цей метод не потребує визначення координат точок стояння та орієнтування приладу. Використання даного методу базується на позначенні спільних (не менше трьох) точок (або моделей сфер, площин) на сканах [Література]. Під час процесу реєстрації сканів спільні точки та моделі різних хмар точок накладаються одна на одну таким чином, щоб розходження між точками та моделями суміжних сканів були мінімальні. В результаті одержується суцільна точкова модель. Саме необхідність як мінімум трьох спільних точок на сусідніх сканах є найбільшим недоліком методу, так як потребує певних затрат часу на правильне розміщення станцій та марок. До того ж скани мусять перекривати один одного, що в певних випадках призводить до створення надлишкових станцій та вимірів, але забезпечить повноту зібраних даних. Під час знімання об’єкту, як і в методі відомої станції, може використовуватися лише лазерний 3D сканер без центриру та можливості наведення на точки. Використання інших геодезичних приладів є не обов’язковою умовою. Саме тому даний метод є найбільш поширеним та оптимальним методом орієнтування сканів.

Процес реєстрації даним методом добре вивчений та описаний у багатьох роботах, серед яких [Dongho Yun, Sunghan Kim, Heeyoung Heo, Kwang Hee Ko. Automated registration of multi-view point clouds using sphere targets], [Mengmi Zhang. Accurate Sphere Marker-Based Registration System of 3D Point Cloud Data in Applications of Shipbuilding Blocks]. У даних роботах в якості спільних точок використовуються спеціальні сфери визначеного розміру. Автори ставлять задачу покращити точність орієнтування сканів за допомогою 3D сфер та пропонують свої алгоритми вирішення цієї задачі. Але практичне використання запропонованих методів можливе лише у випадку створення вже готового програмного забезпечення, яке базуватиметься на основі викладених алгоритмів.

Надійність результатів реєстрації сканів методом суміщення спільних точок також залежить від типу марок, які використовуються у процесі орієнтування. Дослідження в цьому напрямі проведено у [Burcin Becerik-Gerber, Farrokh Jazizadeh, Geoffrey Kavulya, Gulben Calis [Assessment of target types and layouts in 3D laser scanning for registration accuracy] де аналізовано три типи марок. Вважаємо, що аналіз марок, які використовуються у процесі польових робіт з наземного лазерного сканування є одним з шляхів практичного вдосконалення технології НЛС, а саме процесу трансформації сканів до єдиної системи координат.

4. Реєстрація сканів методом суміщення хмар точок

Метод базується на ітеративному алгоритмі найближчої точки (англ. Iterative Closest Point — ICP). Цей метод реєстрації сканів був запропонований ще у 1992 році у роботі [Besl, Paul J., N.D. McKay. A Method for Registration of 3-D Shapes], але широке застосування почалося лише відносно недавно. Умовами використання цього методу є високий показник перекриття між сканами та складна геометрія розташування поверхонь. Реєстрація відбувається попарно (між двома сканами). На обох сканах відшукуються точки, які відтворюють характерну кривину поверхні. Ця поверхня є незмінною протягом усього періоду знімання сканером. Виділивши крайні точки змін поверхні, вибрані точки зіставляються. В результаті роботи алгоритму, скани приводяться в єдину систему координат з мінімальними відхиленнями між ідентичними точками двох сканів. Цей метод по використанню є найбільш простим у використанні, але складний у реалізації та ненадійний за результатом.

Особливості застосування даного алгоритму висвітлено у [Cloud To Cloud Registration For 3d Point Data], [Efficient Variants of the ICP Algorithm]. У цих роботах запропоновано методики оптимізації та покращення результатів орієнтування сканів, які базуються на вдосконалені самих алгоритмів пошуку точок. У [Christoph Dold, Claus Brenner. Registration of terrestrial laser scanning data using planar patches and image data] використовують дані алгоритми з попереднім виділенням суміжних площин, що дає змогу зменшити радіус пошуку ідентичних точок, а в результаті зменшити часові затрати процесу реєстрації сканів.

Використанню даного методу реєстрації сканів обов’язково передує аналіз місцевості, що визначить можливість застосування алгоритму ітеративного пошуку найближчої точки та незалежний контроль одержаних результатів орієнтування сканів. Автор даної роботи не знайшов результатів практичних досліджень точності роботи даного алгоритму. Саме тому вважаємо важливим провести практичні роботи із застосуванням даного алгоритму реєстрації сканів та порівняти одержані результати.

Крім використання самих вимірів для реєстрації сканів, можуть використовуватися додаткові дані, одержані в результаті роботи датників лазерного сканера. До них належать інклінометр, компас, альтиметр, GNNS-приймач. У процесі практичного використання лазерного сканера автором дано роботи, визначено, що дані одержані з датників приладу в певних випадках можуть нести неточності, які виникають через технічну несправність приладу чи умови навколишнього середовища. Тому дані датників можуть використовуватися лише в якості допоміжних даних для орієнтування сканів, але не основних.