Работа с лазерным сканером: Наземное лазерное сканирование — технология, применяемая АО «Союзгипрозем»

Обзор лазерного сканирования

Когда речь заходит о таких новых технологиях, как BIM-технологии, то нужно понимать, что основным преимуществом использования является качество создаваемой проектной документации, которое может привести впоследствии к снижению стоимости и сроков строительства зданий и сооружений.

BIM наиболее эффективна в работе со сложными инженерными объектами: лабораториями, заводами, аэропортами, медицинскими центрами.

Недавно, в 2020 году было подписано Постановление об информационном моделировании в строительстве, которое регламентирует процесс строительства и, что самое важное, не привязывает к конкретному ПО.

Лазерное сканирование, как основной вид работ, становится неотъемлемой частью качественного выполнения строительства сооружений.

Суть технологии лазерного сканирования заключается в определении пространственных координат точек объекта. То есть, прибор, при помощи  фазового или импульсного безотражательного дальномера вычисляет расстояния до всех точек объекта и измеряет вертикальные и горизонтальные углы.

При этом формируется трёхмерное изображение (с координатами XYZ) в виде облака точек (скана, растрового изображения). Принцип действия схож с работой электронного тахеометра, но в отличие от него, процесс съемки происходит в тысячи и даже миллионы раз быстрее! А это делает наземное лазерное сканирование самым оперативным и высокопроизводительным средством получения точной и полной информации о любом объекте

Управление лазерным сканером осуществляется с помощью портативного компьютера или с помощью панели управления, встроенной в сканер.

Сам процесс съемки достаточно прост и имеет такую последовательность:
1) определяются зоны взаимного перекрытия сканов, устанавливаются мишени;
2) лазерный сканер устанавливается на штатив в определенных зонах;

3) прибору задаются плотность облака точек (разрешение) и область съемки;
4) запускается процесс лазерного сканирования объектов.

Схема расположения мишеней для съемок простого объекта

Схема расположения мишеней для съемок дороги

Еще на стадии полевых работ необходимо предварительно определить зоны взаимного перекрытия сканов (чтобы были видны все детали снимаемого объекта). Для этого до начала съемки в этих зонах размещают специальные мишени. Далее по координатам этих мишеней облака точек совмещают в единую 3D-модель. Возможно совместить облака точек и без мишеней.

Чтобы получить полное 3D-изображение местности необходимо несколько сеансов съемки (с разных позиций). Это дает возможность отснять поверхность с разных точек и зафиксировать любые, даже самые малейшие элементы! Полученные облака точек совмещаются друг с другом в единое пространство в программном модуле. Все данные при этом имеют такие характеристики, как, координаты, интенсивность отражённого сигнала и реальный цвет точки.

В результате собранных данных получаем 3D-модель, с высокой степенью детализации, плоские чертежи и разрезы, профили и сечения, планы, площади и объемы поверхностей, сохраняющие полное геометрическое соответствие форм и размеров реального объекта. Кроме всего прочего, существует возможность обмена графическими данными, что позволяет легко встроить технологию лазерного сканирования в схему уже используемого программного обеспечения.

Обзор наземных лазерных сканеров

На сегодняшний день множество фирм занимается разработкой приборов для трёхмерного лазерного сканирования

, ориентированных на различные цели. Но все современные наземные лазерные сканеры имеют ряд общих характеристик:

1. точность измерения расстояния, горизонтального и вертикального углов;
2. максимальное разрешение сканирования;
3. скорость сканирования;
4. дальность действия лазерного сканера;
5. расходимость лазерного луча;
6. поле зрения сканера;
7. используемые средства получения информации о реальном цвете;
8. класс безопасности используемого лазера;
9. портативность и особенности интерфейса.

Одним из мировых лидеров по производству наземных лазерных сканеров является компания Z+F (Zoller + Fröhlich). Приборы марки Z+F производятся в Германии, что не вызывает сомнений в качестве и точности прибора! На сегодняшний день, одним из наиболее популярных приборов этой марки является

лазерный сканер IMAGER5010. 

В отличие от своих предшественников, сканер имеет  непревзойденную скорость сканирования, повышенную точность, огромное поле зрения, расширенный диапазон температур, цветной сенсорный экран, малый вес и компактность. К тому же, лазерный сканер имеет безопасный луч, причем не только для промышленного оборудования, но и для глаз человека! Все эти отличия ставят сканер на порядок выше своих «ровесников».

Высокая точность и скорость сканирования (более 1 млн.точек в секунду) позволяет провести измерения на объекте за очень короткое время и при этом достигнута точность лучше, чем 1мм – это особенно актуально в случаях, когда надо избежать накопления ошибки при регистрации данных, полученных с большого количества стоянок сканера.

Широкое поле зрения (3600 по горизонтали и 3200 по вертикали) оставляет вне поле зрения сканера лишь небольшой участок под сканером. К тому же, сканер адаптирован под работу в разных условиях, от температуры от -100, до очень сильной запыленности!

Немаловажное значение имеет и компактность прибора и его полная автономность от компьютера или каких-либо устройств, а сохраняются данные на встроенном в сканер накопителе. Цветной сенсорный экран позволяет легко задать режимы сканирования, просматривать полученные данные и проводить простейшие измерения по полученным облакам точек.

Сканер GLS-2000 является новейшей моделью в линейке наземных лазерных сканеров Topcon. В нем нашли свое применение как хорошо зарекомендовавшие себя ранее, так и совершенно новые технологические решения.

К отличительным особенностям сканера GLS-2000 можно отнести процедуру его установки и ориентирования на точке стояния, наличие двух встроенных фотокамер, возможность выбора типа лазера для выполнения измерений, систему питания сканера, систему хранения данных, большой сенсорный экран, баланс характеристик сканера.

Процедура ориентирования

Сканер GLS-2000. Процедура ориентирования.Процедура установки инструмента на точке и его ориентирования еще больше похожа на работу с традиционным электронным тахеометром. Это значительно упрощает работу с прибором, повышает удобство его использования, облегчает освоение инструмента.  Ориентирование сканера может выполняться как по специальной марке, так и по обычной стеклянной призме, как в случае электронных тахеометров. Марка или призма устанавливается на вехе или штативе на точке ориентирования, сканер выполняет предварительное сканирование заданной оператором небольшой области точки ориентирования, в результате которого происходит точное определение местоположения цели. Для завершения процедуры ориентирования следует ввести в сканер значения высоты инструмента и цели. Более того, сканер сам может измерять свою высоту над точкой стояния с помощью лазерного излучения.

Встроенные фотокамеры

Сканер имеет две встроенные фотокамеры, каждая с разрешением 5МП. Одна из камер имеет широкий угол обзора 170° и используется в качестве панорамной. Она расположена в корпусе сканера рядом с объективом. Вторая камера с углом обзора 8,9° встроена в объектив сканера, она применяется для более точного выбора области сканирования или точки ориентирования. Переключение между камерами осуществляется с помощью одной кнопки, позволяя выбрать оптимальный режим фотоизображения для управления прибором.

Тип лазерного излучения

В сканере используется два источника лазерного излучения, имеющие сертификацию по классу 3R и классу 1М. Лазер класса 1 абсолютно безопасен для зрения человека и может использоваться в тех ситуациях, когда в зоне работы сканера находится много людей. Оператор может выбирать тип лазерного излучения в зависимости от условий измерений на объекте.

Система энергопитания

Сканер работает от 4-х аккумуляторных батарей, расположенных попарно с обеих сторон инструмента. Аккумуляторы имеют возможность «горячей замены» без выключения прибора. В сканере используются аккумуляторы того же типа, что и в электронных тахеометрах Topcon.

Где применяется наземное лазерное сканирование?

Сфер применения наземного лазерного сканирования большое множество. Лазерное сканирование возможно применять:

• в строительстве и эксплуатации инженерных сооружений;
• в горной промышленности;
• в нефтегазовой промышленности;
• в архитектуре;

• в разработке мероприятий по предотвращению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций;
• в выполнении топографической съёмки территорий, имеющих высокую степень застройки;
• в судостроении;

Лазерное сканирование и расчет объемов грузовых танков корабля

• в моделировании различного вида тренажёров;
• в создании двумерных и трёхмерных геоинформационных систем управления предприятием;
• в фиксации ДТП и мест преступлений.

В любой сфере, лазерное сканирование обладает преимуществами, такими как:

• оперативное получение исходных данных
• оперативное составление качественной и наглядной проектной документации (камеральной обработки)
• высокоточная и детальная съемка
• повышенная эффективность работ и трудозатрат
• безопасное проведение работ
• проведение работ без отрывания (остановки) от процесса снимаемого объекта
• работа в условиях повышенной запыленности, вибрации, плохой освещенности
• и многое другое!

Исходя из вышесказанного и опыта специалистов нашей компании при использовании данной технологии, можно сделать вывод, что технология наземного лазерного сканирования показала себя не только как высокоэффективная, но и во многих случаях как незаменимая, позволяющая в сжатые сроки произвести оперативную съемку различных объектов без потери точности и полноты собираемых данных. Она может быть применена практически в любой области в силу абсолютной объективности и отсутствия влияния человеческого фактора.

Трудно представить, сколько бы времени понадобилось нам для съемки коммуникаций электронным безотражательным тахеометром например в цехе пульпонасосов с габаритами 60×30×20 метров. Месяцы, а может быть год? С помощью лазерного сканера все «полевые» работы можно выполнить за несколько рабочих дней.

Какой лазерный сканер выбрать?

Гарантия успеха при выполнении работ, требующих применения технологии лазерного сканирования, заключается в правильно подобранном инструменте.

Оптимальный комплект оборудования для решения своего круга задач Вы сможете найти в семействе лазерных сканирующих систем, разработанных компанией Topcon и Z+F.

Где купить лазерный сканер?

У нас Вы можете приобрести лазерный сканер, исходя из Ваших возможностей и круга решаемых задач.

области применения и обзор моделей / Хабр

Лазерное 3D-сканирование — создание цифровой модели физического тела при помощи луча лазера. Технология бесконтактная, работает на близких и дальних расстояниях, исключает повреждения объектов во время сканирования. Принцип работы лазерных 3D-сканеров: направленный лазерный луч отражается от поверхности предмета, образуя облако точек. Каждая точка имеет свои координаты в пространстве. Программное обеспечение определяет их и создает готовую трехмерную цифровую модель на основе этих данных.

Из обзора вы узнаете, где применяют лазерное сканирование и какое оборудование используют для решения связанных с ним задач.

Назначение лазерных сканеров

Источник: newequipment.com

В сравнении с традиционными способами измерения, лазерные сканеры имеют важное преимущество — они могут оцифровывать объекты со сложными поверхностями и работать в труднодоступных для человека местах. Основные сферы применения приборов — входной и выходной контроль качества на производстве, инспекция работающих приборов с целью профилактики и устранения дефектов, реверс-инжиниринг и другие области.

Строительство, реконструкция и ремонт объектов

Источник: ellisdon.com

В ходе подготовки проекта здания необходимо оценить особенности участка и стоимость предстоящих работ. С помощью лазерных 3D-сканеров создают модель ландшафта, на базе которой ведутся дальнейшие работы. В процессе строительства требуется промежуточный контроль геометрии будущих зданий: стен, углов, проемов и т.п. Лазерное сканирование справляется с этой задачей точнее и быстрее привычных измерительных технологий.

Основой для внешней или внутренней реконструкции часто является точная цифровая модель, на базе которой планируют изменения и дополнения в текущем интерьере или экстерьере. В этой сфере также незаменимы лазерные сканеры.

Дорожные сети и транспорт

Источник: autodesk. com

Лазерное сканирование становится неотъемлемой частью планирования и создания городских и загородных дорожно-транспортных сетей, тоннелей, пешеходных участков, железных дорог, портов. Технологию используют для оценки текущего состояния покрытий, планирования и оценки стоимости ремонтных работ, для получения моделей многолетних конструкций, например, мостов. Оборудование задействовано в проектировании, изготовлении, ремонте и тюнинге автомобилей, воздушного транспорта и судов.

Объекты коммунального хозяйства

Источник: 3dscanner.es

При помощи лазерных 3D-сканеров стала возможным быстрая оцифровка и документирование инженерных коммуникаций. Сканирование значительно экономит время при техническом обслуживании и реконструкции. Устройства работают дистанционно, минимизируют риски людей при работе в неблагоприятных условиях и на труднодоступных участках.

Нефтедобывающие установки

Источник: ramboll. com

Нефтедобывающие комплексы, расположенные в воде, нуждаются в постоянном контроле рабочих процессов. Объекты регулярно подвергаются неблагоприятным и переменчивым воздействиям окружающей среды: ветров разной силы и направлений, течений, перепадов температур и т.п. Лазерное 3D-сканирование становится неотъемлемой частью инспекции нефтедобывающих установок. Оборудование позволяет быстро определять и фиксировать деформации и другие повреждения, контролировать износ, рассчитывать сроки планового технического обслуживания, предотвращать аварии.

Судебная экспертиза

Источник: faro.com

На смену фотографиям и ручным измерениям в следственных процессах и судмедэкспертизе приходит лазерное 3D-сканирование. Приборы создают трехмерные модели мест происшествия с точной фиксацией расположения объектов и расстояний между ними. Данные используют в процессе досудебных и судебных разбирательств.

Другие области применения

Источник: news. microsoft.com

Лазерные 3D-сканеры облегчают и оптимизирует рабочие процессы в следующих областях:

• В картографии и геодезии — при создании планов местности, карт, географических информационных систем (ГИС).
• В археологии — при восстановления и сохранении древних артефактов.
• В палеонтологии — для создания отсутствующих частей найденных при раскопках скелетов.
• В медицине, в том числе пластической хирургии и стоматологии.

Обзор моделей и производителей

FARO Focus

Источник: ifworlddesignguide.com

FARO входит в пул популярных производителей лазерных сканирующих устройств. Новые приборы серии S модельного ряда Focus3D выделяются на фоне других сканеров легкостью и компактными размерами, а также возможностью работать в условиях яркого солнечного освещения и поддерживать связь с участком расположения при помощи GPS.

Сканер FOCUS 3D S 150 работает на расстоянии до ста пятидесяти метров, с точностью на максимальной дистанции до ±2000 мкм. Прибор используют в дизайне, архитектуре и строительстве, для оцифровки оборудования и других объектов.

Узнать больше об этой модели вы можете на сайте.

Источник: youtube.com

Focus3D S 350 сканирует с такой же точностью, как и предыдущий прибор, однако расстояние до объекта измерений увеличено до 0,35 км. Устройство разработано для работы вне помещений.

Источник: kkgeosystem.blogspot.com

SHINING 3D

Источник: shining3d.com

FreeScan — линейка известного китайского производителя цифрового оборудования SHINING 3D. Это универсальные лазерные ручные 3D-сканеры FreeScan X5 (X5+), FreeScan X7 (X7+) весом до 1 кг, с отличными набором профессиональных характеристик.

Основные параметры:
Технические характеристики

Creaform

Источник: foundry-planet.com

Отличительные особенности модельного ряда SCAN 3D компании Creaform — высокое качество сканирования в сочетании с простотой использования. Портативные лазерные сканеры HandySCAN 3D, MetraSCAN 3D обладают понятным интерфейсом, не требуют специальных навыков и сложного обучения пользователя.

Характеристики приборов:

ScanTech

Модельный ряд Handheld

Источник: cmmxyz.com

Серия устройств HandHeld Prince работает на базе синих и красных лазерных лучей, что позволяет сканировать с высокой точностью крупные и мелкие объекты. Сканеры могут работать в условиях яркого солнечного света и при недостаточном освещении. Благодаря компактному размеру, высокой скорости и детализации, оборудование широко используют в обратном проектировании, инспекции качества, оцифровке музейный, археологических и других объектов.

Основные характеристики:

Серия Composite

Источник: twitter.com

Кроме режима двойного сканирования KSCAN20 оснащен системой фотограмметрии, благодаря которой рабочая область прибора составляет 2,5м*3м с точностью до 35 мкм/м.

Синий и красный лазеры обеспечивают высокоскоростное сканирование до 650 тыс измерений в секунду с разрешением 0,01 мм.

Основные характеристики:

Области применение лазерных 3D-сканеров

Уменьшение финансовых и временных затрат в строительстве с помощью FARO Focus

Источник: autodesk.com

Инвестиции строительной компании Gilbane из США в приобретение лазерного сканера FARO Focus-S 350, ПО и подготовку сотрудников составили $60 000. На первый взгляд, сумма кажется слишком крупной для фирмы небольшого масштаба. Но, после проведения расчетов, руководство компании пришло к выводу, что вложения окупятся в кратчайшие сроки.

По словам директора Gilbane по 3D-проектированию Джона Точчи младшего, после внедрения новой дорогостоящей технологии компания начала использовать оборудование даже в тех сферах, где изначально не планировала. Специалистам удалось сэкономить $30 000 за один час работы Focus-S 350 и программного обеспечения Autodesk Revit.

Источник: autodesk.com

Построение цифровой модели воздуховодов и других систем позволили избежать ошибок при монтаже физических объектов, который мог занимать несколько недель. Использование FARO Focus при сборке водопроводных, электрических и механических установок помогло оптимизировать затраты на всех этапах работы

Кейс “Модернизация корпуса Университета Майами”

Источник: elevar.com

На момент начала работ в распоряжении архитекторов были чертежи, сделанные 85 лет назад, и чуть больше 4,5 тысяч квадратных метров старой постройки. Используя лазерный 3D-сканер, специалисты Gilbane оцифровали учебные площади за один рабочий день. Модернизация несущих конструкций, а также основных коммунальных систем: водопровода, электрики и вентиляции, базировалась на данных, полученных при сканировании.

Инспекция качества с помощью ScanTech

Источник: 3d-scantech. com

Преимущество технологии штамповки металла, перед ковкой и литьем, заключается в меньшем весе и толщине получаемых деталей. Использование пресс-форм дает высокую точность и максимальное соответствие полученных деталей заданным характеристикам, однако полностью не исключает отклонений и деформаций. Что, в свою очередь, может привести к трудностям при сборке готовых изделий и снижению качества продукции. Поэтому постоянная инспекция качества является необходимой составляющей производства.

Разобравшись в задачах производителя, специалисты ScanTech предложили проверять качество штампованных деталей при помощи лазерного сканера PRINCE. Возможность переключения режимов синего и красного лазера позволили устройству объединить функционал традиционных портативных и метрологических 3D-сканеров. Режим работы с активным лучом красного лазера обеспечивает быструю оцифровку предметов. В случае повышенных требований к точности и детализации, включают режим синего лазерного луча.

На фото представлены этапы работы:

1. Установка маркеров — занимает около двух минут.

Источник: 3d-scantech.com

2. Оцифровка детали — занимает около трех минут.

Источник: 3d-scantech.com

Источник: 3d-scantech.com

3. Выявление отклонений — длится 3 минуты.

Источник: 3d-scantech.com

Цифровая модель демонстрирует параметры и отклонения, позволяет исправлять ошибки на этапе проектирования. Кейс наглядно показывает, что процесс потребовал минимум времени и усилий.

Использование 3D-сканеров FARO в мировом турне Джастина Тимберлейка

Источник: disguise.one

Декорациями к программе Тимберлейка под названием «Man of the Woods» стали “ожившие” на сцене природные пейзажи. Сначала команда ScanLAB оцифровала ряд уголков леса в Американском штате Орегон. Затем лазерные проекторы направляли изображения над зрительным залом и сценой, рисуя удивительные картины Портлендского ландшафта на подвешенных в воздухе полупрозрачных полотнах.

Источник: faro.com

Для подготовки визуальных эффектов использовали два лазерных сканера Faro Focus X 330, программное обеспечение Faro Scene 6.2. Всего потребовалось 40 цифровых копий и 1 рабочий день в концертном зале.

Источник: www.esa.int

Учитывая ограниченное время для подготовки, большие площади поверхностей для демонстрации изображения и, соответственно, потребность в высоком разрешении картинки, создание визуальных эффектов в короткие сроки без использования выбранной технологии было невозможно.

Рекомендации по подбору лазерных 3D-сканеров

В обзоре мы познакомили вас с оборудованием лидеров рынка с отличной репутацией. Все описанные приборы имеют высокие рабочие показатели, поэтому мы рекомендуем обратить внимание на эти устройства для использования в различных сферах:

FARO Focus: Focus3D S350, Focus 3D S150.
Creaform: MetraSCAN 350 (350 Elite), MetraSCAN 750 (750 Elite), HandySCAN Black (Black Elite).
SHINING 3D: FreeScan X5 (X5+), FreeScan X7 (X7+).
ScanTech: KSCAN20, PRINCE 775, PRINCE 335.

Итоги

Источник: 3d-scantech.com

Рассмотренные примеры наглядно доказывают, что применение лазерного 3D-сканирования оптимизирует рабочие процессы во множестве сфер. Круг задач, решаемых при помощи лазерных 3D-сканеров, постоянно расширяется.

Купите профессиональный лазерный 3D-сканер в Top 3D Shop — опытные специалисты помогут подобрать наиболее подходящее для вашего бизнеса оборудование, ПО, предложат проект модернизации производства.

Что такое лазерные сканеры | Cognex

Сканер штрих-кода или считыватель штрих-кода — это устройство с подсветкой, линзами и датчиком, которое декодирует и фиксирует информацию, содержащуюся в штрих-кодах. На заре одномерных кодов коды можно было считывать только с помощью лазеров. Лазерные сканеры используют лазерный луч в качестве источника света и обычно используют колеблющиеся зеркала или вращающиеся призмы для сканирования лазерным лучом вперед и назад по штрих-коду. Затем фотодиод измеряет отраженный от штрих-кода свет. Аналоговый сигнал создается фотодиодом, а затем преобразуется в цифровой сигнал.

• Скачать Введение в чтение штрих-кода

Преимущества лазерного сканера

Несмотря на то, что это более старая технология, лазерные сканеры по-прежнему предлагают некоторые эксплуатационные преимущества. Лазерные сканеры не требуют процессора изображений. Они также быстрые, способны проводить до 1300 сканирований в секунду. Наконец, поскольку они используют лазеры — коллимированные лучи света, которые практически не расходятся независимо от того, как далеко свет проходит от источника, — они могут считывать одномерные штрих-коды с относительно больших расстояний с помощью специальной оптики.

Ограничения лазерного сканера

Это не означает, что лазерные сканеры не имеют ограничений. Среди их важных ограничений заключается в том, что они не могут считывать 2D-коды, которые становятся все более распространенными. Лазерные сканеры также имеют проблемы с одномерными штрих-кодами, которые плохо напечатаны, малоконтрастны, искажены или повреждены. Поскольку среда для чтения кода редко бывает идеальной, количество ошибок чтения и отсутствия чтения обычно слишком велико. Комбинация деталей с высокой отражающей способностью и источников света часто создает горячие точки, которые сбивают с толку лазерные сканеры.

Положение кода также имеет решающее значение для лазерных сканеров, поскольку, за некоторыми исключениями, одномерные коды должны сканироваться слева направо. Для этого могут потребоваться дополнительные крепления или механические системы, чтобы убедиться, что штрих-код объекта постоянно ориентирован в одном направлении. Лазерные сканеры также имеют качающееся зеркало, и движущиеся части могут сломаться, что приведет к дополнительным затратам и времени, необходимым для ремонта или замены. Наконец, из соображений безопасности глаз лазерные сканеры должны быть экранированы, чтобы защитить находящихся рядом работников.

Похожие материалы 

• Что такое штрих-код
• Как используются штрих-коды
• 1D штрих-коды
• 2D-коды
• Методы печати и маркировки
• Лазерные сканеры
• Считыватели штрих-кодов на основе изображений
• Освещение считывателя штрих-кода
• Выбор считывателя

Сопутствующие товары

Что такое лазерное 3D-сканирование? | Профессиональные решения для 3D-сканирования

Светлана Голубева

Янв. лазерное 3D сканирование. Прочитав ее, вы узнаете, какие типы сканеров называются «лазерными», как они работают, где они наиболее полезны и для чего используются.

Типы лазерных сканеров по технологии

Время пролета, фазовый сдвиг, триангуляция

Типы лазерных сканеров по продукции

Ручные, штативные, настольные

Типы лазерных сканеров по дальности

Малая дальность (до 5 м), средняя дальность (до 120 м), дальняя дальность (до 2 км)

На сегодняшний день существует множество способов и технологий для переноса объекта из реального мира в цифровое трехмерное пространство. Вы можете сделать это с помощью различных типов 3D-сканеров: настольных, ручных или штативных, промышленных или потребительских; фотокамеры и программное обеспечение для фотограмметрии; контактные измерительные системы; смартфоны или планшеты со встроенными датчиками LiDAR; мобильные, наземные, бортовые системы и многое другое.

В этой статье мы сосредоточимся на одной из самых популярных технологий сканирования, используемых везде, от строительства и геодезии до криминалистики и сохранения наследия, — лазерном 3D-сканировании. Мы увидим, какие типы сканеров называются «лазерными», как работает каждый из них, а также где и для чего используются эти устройства.

Что такое лазерный 3D-сканер?

Когда люди слышат термин «лазерный 3D-сканер», , они могут представить себе множество сканирующих устройств, в зависимости от их опыта и области знаний. Промышленный дизайнер, например, может представить себе переносное портативное устройство, которое может фиксировать мелкие и средние объекты на небольшом расстоянии, а строитель — наземный сканер, установленный на штативе, для съемки и измерения более крупных объектов, таких как здания или целые открытые территории, с высоты птичьего полета. земля. С другой стороны, специалист по геодезии и картографированию, скорее всего, изобразит автомобиль или дрон со встроенной системой сканирования, используемой для картографирования местности на ходу. И все они будут правы, ведь каждое из вышеперечисленных устройств правильно можно назвать лазерным 3D-сканером.

Итак, что такое лазерное сканирование и какие устройства можно назвать лазерными сканерами?

Проще говоря, лазерное сканирование — это процесс получения точной трехмерной информации от объекта реального мира, группы объектов или окружающей среды с использованием лазера в качестве источника света. Проецируя лазерный свет на объект, сканер создает облака точек — миллионы точно измеренных точек XYZ, которые определяют положение объекта в пространстве. Некоторые лазерные сканеры позволяют загружать модель в виде облака точек, в то время как другие автоматически преобразуют ее в триангулированную сетку, которую затем можно преобразовать в модель САПР или полноцветную 3D-модель, если поддерживается запись текстуры.

Подготовка лазерного сканера дальнего действия к использованию на морском судне (Фото предоставлено ASOM) деструктивные активные устройства, способные захватывать предметы из твердых и хрупких материалов. Они могут работать в помещении, а некоторые могут работать и на улице. Их можно использовать днем ​​или ночью, они могут быть как стационарными, так и переносными. Их можно использовать для сканирования в широком диапазоне масштабов и для широкого круга объектов и площадок — от очень маленьких до очень больших.

КЛЮЧЕВАЯ ТОЧКА

Бесконтактные и неразрушающие устройства, лазерные сканеры фиксируют координаты XYZ множества точек на поверхности объекта для расчета его размеров, реконструкции его формы в трехмерной среде и определения его положения в пространстве — все с поразительная точность.

В зависимости от области применения лазерные 3D-сканеры могут поставляться как автономные устройства — переносные, ручные или стационарные и устанавливаемые на штатив, например, — или как часть более сложного решения, такого как роботизированные руки, мобильные или бортовые системы лазерного сканирования, и более. С технологической стороны есть времяпролетные, фазовые и триангуляционные лазерные сканеры.

Давайте подробнее рассмотрим самые популярные типы лазерных сканеров и принципы их работы.

Типы лазерных сканеров

Время полета

Первый тип лазерных сканеров, обычно используемых для сбора данных на большом расстоянии, — это Время полета ( TOF) . Такие 3D-сканеры работают по тому же принципу, что и лазерные дальномеры: лазерный импульс излучается на объект, а часть импульса отражается от поверхности объекта и возвращается в сканер. Расстояние до объекта рассчитывается по времени пролета импульса по следующей формуле: Расстояние = (Скорость света x Время пролета) / 2). Затем это расстояние используется для расчета координат крошечного участка поверхности, на который попадает лазерный луч.

Как работает принцип измерения времени пролета

Времяпролетные 3D-сканеры могут захватывать объекты на большом расстоянии до 1000 метров. Однако их типичный рабочий диапазон составляет 5-300 метров. Хотя системы TOF могут измерять на больших расстояниях, они имеют самую низкую скорость записи данных — от сотен до тысяч точек в секунду.

Точность технологии TOF определяется способностью системы точно измерять время возврата сигнала. Хотя характеристики точности различаются в разных системах, типичная точность для сканера TOF составляет 4–10 мм. Более поздние системы TOF также включают дополнительную опцию подписи RGB либо через внутреннюю камеру, либо через набор внешних камер.

Фазовый сдвиг

Фазовый сдвиг 3D-сканеры излучают лазерный свет на переменных частотах и ​​определяют расстояние до объекта, измеряя разность фаз между излучаемым и отраженным сигналами. В отличие от времяпролетных сканеров, сканеры фазового сдвига работают на более коротких расстояниях от 80 до 120 метров максимум, с типичным рабочим диапазоном от 1 до 50 метров.

Как работает принцип измерения фазового сдвига

Фазовые 3D-сканеры часто относят к категории самых быстрых лазерных сканеров, при этом некоторые системы заявляют о скорости записи до миллиона точек в секунду. Они также имеют более высокую точность и разрешение, чем сканеры TOF. И, как и сканеры TOF, они включают внутренние или внешние параметры захвата цвета.

Ключевая точка

Все лазерные сканеры излучают лазерный свет, но используют разные технологии для интерпретации входящих сигналов. Сканеры времени пролета регистрируют время, необходимое излучаемому свету, чтобы вернуться после того, как он отразился от поверхности объекта, сканеры фазового сдвига измеряют разность фаз между излучаемым и отраженным сигналами, а сканеры триангуляции вычисляют угол, под которым возвращается исходящий луч. к датчику.

Благодаря своей высокой точности сканеры фазового сдвига лучше всего подходят для сканирования средних расстояний, таких как большие насосы, автомобили и промышленное оборудование. Как фазовый сдвиг, так и времяпролетные системы также могут использоваться в наземных приложениях сканирования, где можно исследовать более крупные объекты или структуры размером от нескольких метров до нескольких километров.

Наземные системы сканирования TOF и фазового сканирования могут поставляться в виде стационарного оборудования, устанавливаемого на штативе, которое можно использовать как есть или устанавливать на наземные или воздушные транспортные средства для проектов, которым требуется информация из обширных ландшафтов или труднодоступных мест.

Триангуляция

Третий тип лазерных сканеров работает по принципу триангуляции, когда лазерный луч излучается и возвращается в определенное место на матрице датчиков изображения встроенной камеры. Для расчета расстояния между объектом и 3D-сканером система использует тригонометрическую триангуляцию, поскольку лазерный источник, датчик и цель, оставленные на объекте, образуют треугольник. Расстояние между лазерным источником и датчиком известно очень точно, как и угол между лазером и датчиком. Когда лазерный луч отражается от сканируемого объекта, система может измерить угол, под которым он возвращается к датчику, и, следовательно, расстояние от источника лазерного излучения до поверхности объекта.

Как работает принцип измерения триангуляции

Лазерные сканеры на основе триангуляции работают на гораздо более коротких расстояниях (менее 5 метров), чем времяпролетные сканеры или сканеры с фазовым сдвигом, из-за небольшого динамического диапазона датчиков изображения и снижения точности с увеличением расстояния. Большинство систем триангуляции также поставляются с внутренней опцией захвата RGB.

Обычно триангуляционные сканеры больше всего подходят для сканирования небольших объектов размером от 1 см до 2-3 метров в зависимости от производителя. Что касается форм-фактора, существуют стационарные триангуляционные сканеры, устанавливаемые на штатив. Однако наибольшего успеха эта технология достигает при использовании в портативных ручных 3D-сканерах.

Применение лазерных сканеров

Лазерные сканеры используются в самых разных областях и для самых разных приложений: от строительства и гражданского строительства до криминалистики и археологии. По мере того, как технология становится дешевле, легче и меньше, все больше и больше отраслей начинают использовать лазерное сканирование. Некоторые известные области применения этих устройств перечислены ниже.

Обратный инжиниринг

Сканирование ходовой части автомобиля лазерным триангуляционным 3D сканером ближнего действия

От небольших механических компонентов до крупных промышленных объектов лазерные сканеры стали важной технологией в наборах инструментов профессионалов, занимающихся проектированием и разработкой продукции. Когда-то сложный процесс, который мог потребовать нескольких дней разборки, подробных ручных измерений и кропотливого процесса изучения каждой части продукта, благодаря лазерному сканированию, реверс-инжиниринг теперь занимает от нескольких минут для модели поверхности CAD до нескольких часов. для параметрической модели САПР. Сканеры используются для создания точных цифровых чертежей деталей, которые были повреждены или деформированы, нуждаются в редизайне, но для них нет данных САПР. Портативные лазерные сканеры со встроенными процессорами идеально подходят для исследования мелких и средних объектов, а устройства среднего и дальнего радиуса действия лучше всего подходят для более крупных объектов. Мгновенное создание CAD-моделей высвобождает часы, если не дни работы, которые команды разработчиков могут потратить на реальное усовершенствование продукта.

Проверка качества

Контроль труб с помощью лазерного сканера

Еще одним важным этапом производственного процесса и еще одной областью, революционизированной лазерными сканерами, является контроль качества. Традиционно доминировавшие ручные контактные методы измерения, благодаря лазерному сканированию рабочие процессы контроля качества теперь могут выполняться намного быстрее, точнее и с гораздо большим количеством измеряемых данных. Это, в свою очередь, приводит к меньшему количеству итерационных циклов и более быстрой доставке продуктов клиенту. В отличие от КИМ, которые обычно могут получать десятки точечных измерений по одному, должны находиться в физическом контакте с поверхностью и требуют программирования для каждой новой исследуемой детали, лазерные сканеры могут фиксировать миллионы измерений для различных типов объектов с широкий спектр геометрических сложностей за короткое время и полностью бесконтактно.

Ключевой момент

Лазерные сканеры зарекомендовали себя как эффективные измерительные инструменты как для промышленного производства, так и для потребительского уровня: от обратного проектирования до контроля качества, криминалистики и беспилотных автомобилей.

Лазерные триангуляционные сканеры ближнего действия, которые выпускаются в виде портативных портативных устройств, обеспечивают гибкость в отношении типов объектов, подлежащих проверке, а также их местонахождения. Они отлично подходят для захвата сложных деталей, которые невозможно измерить вручную или с помощью движущегося сенсорного щупа. Благодаря облегченной конструкции такие устройства позволяют QA-менеджерам быть более мобильными, не привязываясь к определенному месту или району.

Лазерные сканеры дальнего действия идеально подходят для изучения и сбора точных и поддающихся измерению данных с крупных объектов, и их даже можно использовать в сочетании с портативным сканером для захвата мелких элементов с высокой детализацией. Полученная 3D-модель, полученная с помощью лазерного сканера, может быть обработана в программе обработки сканирования, а затем преобразована в файл САПР. На этом этапе ее можно сравнить с исходной моделью САПР и определить детали, которые находятся в пределах допуска или за его пределами.

Судебная экспертиза

Захват места преступления с помощью лазерного триангуляционного 3D-сканера

Благодаря возможности захвата больших пространств, таких как интерьеры комнат, зданий и целых объектов, лазерные сканеры становятся новым решением для точной документации и расследования преступлений. сцены и реконструкция аварий. В отличие от традиционных методов сбора улик, таких как фото- и видеокамеры и измерительные ленты, лазерные сканеры позволяют следователям фиксировать целые места преступления в их первоначальном состоянии с точными размерами для каждой улики, будь то тело, след или пуля. отверстие, и сделать все это за считанные минуты.

Портативные ручные лазерные сканеры со встроенными процессорами идеально подходят для сканирования отдельных предметов на ходу в нескольких местах в течение дня, и их можно использовать, когда требуются более точные и точные данные, например. детальное сканирование мертвого тела, поврежденного предмета мебели или крупное сканирование следа, оставленного преступником. С другой стороны, сканеры дальнего действия полезны для захвата всего пространства. Разместив его в центре комнаты, где он сканирует полностью автоматически, следователь может заниматься другими частями своей работы, такими как общение со свидетелями и потерпевшими, без необходимости контролировать сканер. Трехмерные данные позволяют экспертам-криминалистам получить более полную и детальную картину места преступления и построить убедительные и убедительные доказательства для представления в зале суда.

Строительство (BIM)

3D-сканирование склада с помощью лазерного сканера дальнего действия на базе штатива

Еще одно популярное применение наземных лазерных сканеров дальнего и среднего радиуса действия, особенно среди архитекторов и строителей, — 3D-съемка зданий и целых строительных площадок. Такие устройства позволяют владельцам объектов или руководителям строительных проектов быстро создавать точную документацию и 3D-визуализацию существующих зданий и их состояния. Они также используются для отслеживания хода строительства и проверки качества вновь построенных объектов и сравнения их с проектной моделью. Лазерные сканеры не только экономят время и средства, используемые для ручных измерений, но и повышают безопасность при работе в небезопасных местах. Лазерные 3D-сканеры можно использовать на протяжении всего жизненного цикла здания и предоставлять постоянные и обширные 3D-данные, которые можно использовать для проектов реконструкции или нового строительства, и к которым можно получить доступ в любое время.

Археология

Сканирование черепа трицератопса с помощью ручного лазерного сканера ближнего действия (Изображение Дэвида Кано / 3D Printing Colorado) кость вымершего животного или целый древний город. Портативные ручные лазерные сканеры со встроенными процессорами пригодятся в полевых работах и ​​предоставят археологам полную автономию при фиксации своих открытий. Благодаря встроенному экрану они могут видеть результаты сканирования в режиме реального времени, не имея при этом дополнительного ноутбука или планшета. Наземные и бортовые системы лазерного сканирования дальнего действия успешно применяются для составления топографических карт, планирования раскопок и обнаружения археологических памятников, которые исследователи никогда не смогли бы увидеть невооруженным глазом, оставляя их скрытыми.

Лазерные сканеры позволяют археологам собирать надежные данные с высоким разрешением гораздо быстрее, чем с помощью других методов, таких как тахеометры, устройства GPS или фотограмметрии, что экономит им сотни часов труда во время раскопок. Благодаря их неразрушающему и бесконтактному характеру их можно использовать для фиксации хрупких и уязвимых исторических предметов в их первоначальном состоянии. Собранные данные могут быть использованы для археологической документации и для создания моделей виртуальной реальности, реставрации, сохранения и демонстрации археологических открытий для публики.

Мобильное картирование

Пример автомобильной лазерной картографической системы

Еще одним применением лазерных сканеров дальнего действия является мобильное картографирование — процесс сбора трехмерных геопространственных данных, другими словами, где объекты расположены на Земле, с мобильного транспортного средства либо наземные (автомобили, поезда, лодки), либо воздушные (дроны, вертолеты или самолеты). Мобильные картографические системы обычно оснащены различными технологиями навигации и дистанционного зондирования, такими как GNSS, камеры и LiDAR. Сочетание всех этих технологий позволяет профессионалам визуализировать, записывать, измерять и понимать окружающую среду, будь то управление автомобильными и железнодорожными сетями, городское планирование, анализ подводных или подземных сооружений, повышение безопасности в инфраструктуре электростанций, разработка цифровых карт — список продолжается и продолжается.

Лазерные 3D-сканеры Artec

Поскольку мы приближаемся к концу нашего обзора, имеет смысл взглянуть на несколько реальных примеров различных лазерных сканеров. В Artec 3D есть два типа лазерных сканеров. Один ручной и лучше всего подходит для средних и крупных объектов на коротких расстояниях (0,35–1,2 м) — Artec Leo, а другой — фазовый сканер с рабочим диапазоном до 110 метров — Artec Ray.

Артек Лео

Artec Leo идеально подходит для сканирования объектов среднего и крупного размера с разрешением до 0,2 мм и точностью 0,1 мм. собственный. Все благодаря встроенному вычислительному блоку, HD-дисплею, Wi-Fi и аккумулятору, который позволяет сканировать и просматривать результаты в режиме реального времени без необходимости использования другого оборудования (ПК или планшета). Сканер может захватывать до 35 миллионов точек в секунду и создавать высокодетализированные облака точек с точностью до 0,1 мм и разрешением 0,2 мм за считанные секунды. Большое поле зрения (838 × 488 мм для самого дальнего расстояния) позволяет Leo сканировать и обрабатывать самые разные размеры объектов, от мелких деталей размером 20-50 см до более крупных объектов или даже сцен, от 50 до 200 см и больше. В Leo в качестве источника света используется лазер класса 1 VCSEL, который абсолютно безопасен для глаз и может использоваться для сканирования как неодушевленных предметов, так и людей. Дизайн Leo обеспечивает полную автономию и гибкость в процессе сканирования, поэтому его области применения очень широки: от обратного проектирования и проектирования на основе САПР до здравоохранения, археологии, криминалистики и многих других.

Артек Рэй

Artec Ray может сканировать крупные объекты с субмиллиметровой точностью на расстоянии до 110 метров

Artec Ray — лазерный сканер дальнего действия с фазовым сдвигом, предназначенный для сканирования крупных и очень крупных объектов, таких как здания, самолеты, ветряные турбины и т. д. подобное, с точностью до миллиметра. Сканер имеет рабочий диапазон 110 метров и может захватывать до 208 000 точек в секунду, вращаясь на 360 градусов вокруг себя и по вертикали с углом обзора 270 градусов. В отличие от многих сканеров дальнего действия, Ray собирает очень точные и чистые данные, что делает его пригодным для обратного проектирования и проверки качества. Он поставляется со штативом и может работать автономно как в помещении, так и на улице благодаря встроенному аккумулятору, встроенному Wi-Fi и мобильному приложению, позволяющему дистанционно управлять сканером. Данные, полученные с помощью Artec Ray, могут дополнять более плотные и многофункциональные данные сканирования, полученные с помощью ручных сканеров Artec.