Наши эксперты продолжают отвечать на вопросы пользователей. Сегодняшняя тема – применение технологии лазерного 3D-сканирования при измерении зданий, сооружений и других крупных объектов сложной геометрии. 

Современные технологии бесконтактных 3D-измерений открывают широчайшие возможности, когда необходимо в короткие сроки и с минимальными затратами выполнить контроль геометрии или обратное проектирование объектов большого размера. Для этих целей используются стационарные (наземные) лазерные 3D-сканеры, которые обеспечивают быстрые, высокоточные и дальномерные измерения.

Каков принцип работы наземного лазерного 3D-сканера?

Кирилл Романов. Устройство представляет собой съемочную систему, измеряющую расстояния до поверхности объекта сканирования с высокой скоростью (от нескольких тысяч до нескольких миллионов точек в секунду).

3D-сканер такого типа является моторизированным лазерным дальномером. Он вращается на 360 градусов по горизонтали, а его сканирующая голова – на 360 градусов по вертикали. Прибор замеряет расстояние до всех объектов, находящихся вокруг, с последующим формированием трехмерного изображения в виде облака точек. Данные сканирования передаются для дальнейшей обработки в специализированное ПО или САПР.

Для чего предназначены сканеры этого типа и где они используются?

Илья Крупенников. Наземные лазерные 3D-сканеры предназначены для измерения объектов сложной геометрии в диапазоне от помещений, фасадов, крупногабаритного оборудования до целых зданий и сооружений гражданского и промышленного строительства, а также открытых площадок, каньонов и других ландшафтов.

Решаемые задачи:

• контроль отклонений геометрии;
• реконструкция, перепланировка зданий и помещений;
• реставрация объектов культурного наследия;
• обратное проектирование габаритных изделий и оборудования;
• воссоздание моделей инженерных сетей;
• BIM-моделирование;
• подготовка для визуализации объектов;
• цифровое архивирование.

Получение исходных данных по реставрации церкви (проект компании TWIZE)
Габаритные размеры объекта: 43000 х 23000 х 46000 мм
3D-сканер: FARO Focus S150
Точность данных: 3 мм
Время сканирования: 2 рабочих дня
По результатам сканирования сформировано облако точек с фотофиксацией высокого разрешения

Соответственно, лазерные 3D-сканеры могут применяться в различных отраслях. Среди них:

• строительство и архитектура,
• геодезия,
• железнодорожная отрасль,
• нефтегазовая промышленность,
• энергетика,
• атомная промышленность,
• металлургия,
• авиакосмическая индустрия,
• судостроение,
• культура, исторические ценности.

В чем преимущества лазерного 3D-сканирования крупных объектов перед традиционными инструментами?

Илья Крупенников. По сравнению с данными, получаемыми по точкам тахеометрами, информативность лазерного 3D-сканирования во много раз выше за счет того, что мы можем видеть картину в целом, ориентироваться по ней и понимать, в каком мы участке находимся. Также по полученному облаку точек компьютерной модели можно проводить необходимые манипуляции в программном обеспечении для обратного проектирования, производства обмеров и контроля геометрических параметров.

Главные преимущества лазерного 3D-сканирования

1. Высокая точность, скорость и надежность.

2. Полноценный детализированный анализ полученных данных.

3. Возможность получения и редактирования цифровой модели сложных изделий с минимальными временными затратами.

4. Сокращение производственного цикла и снижение затрат.

5. Гибкость, удобство и простота в эксплуатации.

6. Минимизация человеческого фактора.

7. Возможность автоматизации.

Один из вариантов автоматизации — установка сканера на робот Boston Dynamics Spot © faro.com

Если привести в пример передовые решения компании FARO, ведущего мирового производителя средств 3D-измерений, то они обеспечивают захват данных на расстоянии до 350 метров со скоростью до 2 млн точек в секунду.

Какую точность и погрешность обеспечивают наземные лазерные сканеры?

Илья Крупенников. Чем дальше объект находится от сканера, тем бòльшая накапливается погрешность. Сказывается также температура, атмосферное давление и другие факторы окружающей среды. Для объектов, которые располагаются вблизи, – например, при съемке внутри помещения – погрешность может быть в пределах 1 мм. То, что записано в спецификации, – это ошибка измерений не более 2 мм на 5-10 м. В эти погрешности сканер должен попадать всегда. Именно так он проходит свою поверку на эталонах, подтверждая свои точностные характеристики.

У приборов FARO Focus серии S погрешность составляет 1-2 мм. Есть серия M – более доступная, предназначенная в большей степени для полевых работ с архитектурными сооружениями, на небольшом удалении от объекта. Здесь погрешность уже 3-4 мм. Для расстояний более 20 м погрешность обычно указывается как «прогрессивная», т.е. ее значение увеличивается.

Сколько времени занимает сканирование с одной стоянки?

Кирилл Романов. От 30 секунд до 3 часов. Все зависит от скорости сканирования, от плотности получаемого облака точек. У 3D-сканера есть различные режимы, при которых он может собирать и 2 миллиона, и 10 тысяч точек. Соответственно, при самом высоком разрешении, при получении очень плотного облака точек, работа займет 2 часа, а при минимальном – 30 секунд. По моему опыту, в среднем тратится от 5 до 7 минут.

3D-сканирование цеха с целью технологической реконструкции с заменой оборудования и инженерных коммуникаций (проект компании TWIZE)
Габаритные размеры объекта: 25000 х 25000 х 7000 мм
3D-сканер: FARO Focus S150
Точность данных: 3 мм
Время сканирования: 4 часа
Результат сканирования: облако точек цеха с установками сканера размещенными в единой системе координат

Как устранять шумы при сканировании, например, при перемещении объектов?

Кирилл Романов. Есть специальный режим сканирования, при котором сканер делает два прохода, два оборота, и оставляет только те данные, которые попали на оба прохода. Если объект находился в одном месте, а потом переместился, сканер эти данные удалит.

Оператор видит, что происходит с объектом в процессе сканирования. И если какой-то человек пробежал, то его силуэт, конечно, может остаться на скане. Но в этом нет ничего страшного, эти данные можно легко подчистить.

Можно ли регулировать плотность точек?

Илья Крупенников. Безусловно. Мы можем с самого начала настраивать большое количество параметров применительно к нашей задаче – плотность точек, детализацию с текстурой или без текстуры. В зависимости от настроек, которые мы задали в начале, у нас отобразится время сканирования. Полученный результат можно будет посмотреть с одного скана – устраивает он нас или нет.

Сейчас специалисты, имеющие продолжительный опыт 3D-сканирования, понимают, какой детализации им хватает для разных типов объектов. Но замечу: если включить максимальную детализацию, на которую только способен сканер, то круговая панорама займет достаточно много времени – около 30-40 минут, если еще и с текстурой.

Как работать с отражающими и прозрачными поверхностями? Допустим, при сканировании окна.

Кирилл Романов. Прозрачные объекты отсканировать невозможно. Если я поставлю сканер напротив окна, я отсканирую то, что находится за окном. Отражающие и черные поверхности действительно были когда-то проблемой для технологии 3D-сканирования. Сейчас оборудование имеет множество специальных режимов, которые позволяют захватывать и блестящие, и глубоко черные поверхности. В остальных случаях используется матирующий спрей.

Но думаю, в вашем случае в этом нет необходимости, ведь вам нужны створки окна, а не стекло.

Контроль геометрии конструкции мостовой секции (проект iQB Technologies для АО «Мостострой-11»)
Благодаря 3D-сканеру удалось повысить точность сборки, выполнять проверку всех узлов конструкции, а не только отдельных элементов, и отслеживать гораздо больше размеров и параметров.

Приходится сканировать продукцию в цеху, где рядом работают сварщики. Может ли это повлиять на качество скана и безопасно ли для самого сканера?

Илья Крупенников. На функционирование 3D-сканера яркая вспышка не повлияет. Устройство работает по принципу фазового сдвига и обработки отраженного сигнала лазера. Помехи в виде бликов могут оказать влияние на полученную фототекстуру объекта сканирования (засветы, неполная информация с участков, где есть вспышки от работы сварочного оборудования), но облако точек будет неизменным. Главное, чтобы на сканер не летели искры, они могут повредить оптику.

Интересует возможность сканировать с квадрокоптера.

Кирилл Романов. Такая технология применяется, но чаще используют фотограмметрию. Это обычные фотоснимки, которые затем в специальном ПО преобразуют в 3D-модель. Например, импортировать данные фотограмметрии позволяет программа FARO SCENE.

Единственное отличие такой 3D-модели – она пропорционально правильная, но не имеет размеров. Чтобы придать ей объем, нужно взять любой элемент из реального объекта, померить (допустим, ширина окна – 1 метр) и потом в вашей полученной с фотограмметрии 3D-модели этот же размер масштабировать по реальному объекту. Вы получаете такие же облака точек, и с ними можно работать, в том числе сшивать эти объекты в 3D-модели, в программных продуктах FARO – SCENE, As-Built for AutoCAD, As-Built for Revit, Build-IT.

Французская компания Art Graphique & Patrimoine объединила усилия с FARO для реставрации Собора Парижской Богоматери после пожара 15 апреля 2019 года

Можно с помощью сканера ли оценить состояние высотных дымовых труб на предприятии?

Кирилл Романов. Да, конечно. Необходимо подобрать устройство по дальномерности, в зависимости от высоты трубы. Думаю, больше 350 метров точно не понадобится. Для того, чтобы проконтролировать высотную дымовую трубу, достаточно будет сделать 4-5 стоянок вокруг нее, получить облако точек и сравнить его с проектом. Если проекта нет, то трубу не очень трудно отрисовать. Даже при отсутствии проекта вы можете оценить высоту и вертикальность положения оси трубы.

Будет ли 3D-сканер работать в перевернутом состоянии?

Кирилл Романов. Такая задач решается, и для этого существуют специальные штативы. Нам необходимо, к примеру, отсканировать изнутри резервуар. Сканер подвешивается к штативу, ножки штатива выгибаются в обратные стороны, мы через отверстие опускаем сканер вниз головой и выполняем оцифровку. Единственное – нивелир может не определить положение оси Z, потому что у него есть погрешность в пределах 5 градусов, а у нас будет 180 градусов. Но это не принципиальный вопрос.

Чем отличаются 3D-сканеры Leica и FARO?

Кирилл Романов. Многими параметрами. Начнем с того, что у обоих производителей широкая линейка устройств, которые различаются и по точности, и по дальности сканирования, и по другим характеристикам. Чтобы провести сравнительный анализ, необходимо определить задачу, выбрать конкретные модели сканеров и их сравнивать.

К главным преимуществам FARO относятся высокая компактность и мобильность, а также наличие всех необходимых датчиков для позиционирования и возможность автоматической сшивки онлайн.

Контроль высокотемпературных сталеплавильных контейнеров
Слева: использование 3D-сканера для на объекте. Справа: анализ данных 3D-сканирования в ПО © faro.com

Сертифицированы ли устройства FARO для использования в России?

Кирилл Романов. Лазерные 3D-сканеры FARO, которые предлагает компания iQB Technologies, внесены в Государственный реестр средств измерений и допущены к применению на территории РФ. Новейшая линейка FARO Focus S Plus получит сертификаты в ближайшее время.

3D-сканеры уже встраивают в смартфоны (LiDAR в новых устройствах Apple). Не произойдет ли так, что эта технология «убьет» профессиональные устройства 3D-измерений?

Григорий Аватинян. Предполагаемое вытеснение встроенными в iPhone лазерными датчиками расстояний профессиональных лазерных 3D-сканеров в чистом виде не стоит воспринимать всерьез. Будучи встроенным в телефон, камера с датчиком расстояний не сможет составить конкуренцию лазерным сканерам типа FARO, так как не будет иметь такой совокупности точности, скорости, повторяемости сбора данных, не будет обеспечивать метрологические требования, функционал и преемственность структур данных с используемым во всем мире ПО для проектирования и контроля геометрии зданий, крупногабаритных деталей и т.д.

Их просто нельзя сравнивать. Сканер типа FARO – профессиональный бесконтактный измерительный оптический прибор. А в iPhone просто сенсор для определения расстояний для расширения функционала камеры. Назначение такого сенсора (по сравнению с предыдущими моделями iPhone) – построение простой 3D-модели объекта с невысокой точностью.

Стоит учитывать и то, что 3D-сканирование в облако точек это всегда большой объем данных, и сканер лишь собирает данные с высокой точностью, качеством, надежностью и скоростью, а обрабатывает их мощный ПК.

Уровень, назначение и позиционирование устройств здесь совершенно разные. Прежде чем появится устройство как продукт не уступающее сканерам FARO по характеристикам и функционалу и умещающийся в такой новый сенсор камеры телефона с функцией контроля расстояний в угле обзора камеры, пройдут десятилетия, и изменится, возможно, вообще в целом философия и концепция электронных портативных устройств.

Источник