Технология лазерного сканирования: Лазерное сканирование – Совзонд

Применение технологии лазерного сканирования для мониторинга нефтеналивных резервуаров.

Применение технологии лазерного сканирования для мониторинга нефтеналивных резервуаров.

Автор: Котельников С.И., руководитель отдела лазерного сканирования, компания НАВГЕОКОМ

Статья опубликована в журнале “Маркшейдерский вестник” №2- 2016.
Версия для печати (скачать).

Тезисы:

Старые стандарты по съемке резервуаров не обеспечивают качественный, быстрый и надежный с точки зрения точности и объективности данных результат. Технология сканирования позволяет получать трехмерные модели резервуаров, по которым в результате обработки данных могут быть получены калибровочные таблицы, данные об отклонении формы резервуара от идеальной или проектной с анализом величины отклонений, оценка вертикальности стенок, отклонений от горизонтали наружного контура днища и т.д. Высочайшая производительность и автоматизация полевых работ при использовании метода лазерного сканирования позволяют провести эту работу максимально оперативно, точно и с высокой степенью объективности конечных данных.

Точное документирование геометрии нефтеналивных резервуаров актуально не только для калибровки и поверки с целью определения объема, но и для мониторинга, который включает в себя периодическое инспектирование и анализ целого ряда геометрических параметров.

Несмотря на кажущуюся простоту формы резервуара, которая, в случае, например, вертикальных стальных резервуаров, близка к цилиндрической, их реальная геометрия далека от идеальной. Это касается как новых, так и в большей степени уже эксплуатирующихся объектов. Для резервуаров больших объемов (тысячи кубических метров и выше) процесс проведения измерений – достаточно трудоемкая процедура, и задача его оптимизации – крайне актуальна.

До недавнего времени самыми передовыми измерительными приборами для этих целей считались стандартные тахеометры и нивелиры, главный недостаток которых – большое количество измерений, выполняемых вручную, что определяет высокую вероятность ошибок субъективного характера.

Кроме того, из-за низкой скорости и автоматизации такой съемки нет гарантии того, что все необходимые детали геометрии резервуара будут отражены.

Наземное лазерное сканирование – современная технология трехмерной съемки объектов, которая уже показала свою эффективность при реконструкции промышленных объектов, в архитектуре, строительстве, горном  деле и целом ряде других областей. Важно отметить, что сканер позволяет оперативно производить детализированную трехмерную съемку в существенно автоматизированном режиме, что минимизирует влияние оператора на процесс полевых работ. Последние модели систем сканирования от швейцарской компании Leica Geosystems – ScanStation P30 и Р40 (с максимальной дальностью 120 м и 270 м соответственно) – обладают целым рядом уникальных особенностей, которые имеют принципиальное значение именно для мониторинга резервуаров (рис. 1):

            – Высокая скорость полевых работ. Здесь имеется в виду не только максимальная скорость измерений – до миллиона точек в секунду, которая уже стала стандартном для современных приборов такого класса. Такая скорость в большинстве «быстрых» сканеров достигается лишь при минимальной величине параметра «Качество данных», при котором объекты оцифровываются с достаточно грубой точностью. Улучшение качества данных до приемлемого уровня достигается путем увеличения количества измерений на каждую точку и усреднения полученной информации, что приводит к существенному увеличению времени съемки. Реальная скорость при этом может упасть с миллиона до десятков тысяч точек в секунду. В настройках сканирования ScanStation P30/40 понятие «Качество данных» отсутствует – даже при одном измерении на каждую точку достигается миллиметровая точность дальномера. Этот нюанс оказывает существенное влияние на время нахождения на каждой станции, то есть на скорость проведения полевых работ в целом.

            –  Высокое качество данных. Точность дальномера ScanStation P30/40 согласно техническим характеристикам – 1.2 мм + 2ppm, то есть миллиметровую точность можно получить на всем диапазоне расстояний.

            – Возможность работы при любых погодных и климатических условиях. Указанные выше характеристики скорости и точности обеспечиваются в диапазоне температур от -20 до +50°С, работать можно в дождь и снег. Рабочая температура – действительно важный параметр, так как часто возникают задачи сезонного мониторинга резервуаров, то есть необходимо выполнять съемку в том числе и зимой.

            – Интеграция систем сканирования Leica с традиционной геодезией. Для того чтобы проследить за изменениями геометрии резервуара во времени, требуется привязка данных сканирования к местной системе координат в рамках каждого цикла измерений. С помощью специальных адаптеров можно установить призму или GNSS-антенну на сканер и, таким образом, точно определить точку стояния прибора. Кроме этого, ScanStation P30/P40 – это фактически полноценный геодезический прибор. Его можно установить на точке с известными координатами, измеряя высоту сканера с помощью специальной рулетки с поправкой до оптического центра прибора, вводить координаты точек стояния сканера и марок во время полевого этапа или закачать эти координаты в прибор заранее. Внутреннее программное обеспечение сканера поддерживает все виды геодезической привязки в процессе полевых работ, при этом ее можно осуществить и на стадии постобработки данных.

– Возможность самостоятельной калибровки сканера пользователем. Плотная эксплуатация прибора со временем приводят к раскалибровке и потере точности данных. Сервисные центры лазерных сканеров находятся за рубежом, таким образом, калибровка – это очень затратный процесс, как по времени, так и с точки зрения финансов. Калибровку приборов Leica ScanStation P-серии пользователь может провести самостоятельно, процедура занимает около часа. При этом основные точностные характеристики будут соответствовать уровню заводских настроек.

Для того чтобы более полно раскрыть все преимущества технологии сканирования в целом и решения Leica Geosystems в частности, а также показать, что происходит на этапе постобработки данных и получения конечного результата, рассмотрим стандартную схему работы по съемке и обработке данных сканирования резервуара на практике.

Полевые работы, как уже было сказано выше, включают в себя создание геодезического обоснования и собственно выполнения сканирования. Коротко о некоторых важных особенностях этого этапа:

– плотность точек на большей части поверхности резервуара должна быть не ниже 5 мм. Основания для съемки с такой высокой детализацией есть. Во-первых, на результатах сканирования должны хорошо идентифицироваться вертикальные и горизонтальные швы которые представляют собой узкие (около 1 см) тонкие выпуклые линии. Оценка целого ряда параметров в процессе мониторинга резервуаров происходит именно вдоль этих швов. Во-вторых, для определения горизонтальности (наружного контура днища) необходимо иметь достаточно плотное облако нижней части резервуара, где видимость может частично перекрываться растительностью. В ScanStation P30/40 присутствует функция задания разрешения (шага сканирования) на заданном пользователем расстоянии до объекта, которое сканер может точно измерить.

– количество станций сканирования может составлять от 6 и более, что определяется размером резервуара и расположением элементов, которые перекрывают поверхность сканирования.

Этап обработки полевых данных начинается со сшивки и геопривязки, то есть соединения данных сканирования с разных станций в единое облако точек и привязки этих данных к местной системе координат. Как уже говорилось, при использовании ScanStation P30/40 это можно сделать еще в полевых условиях, но в большинстве случаев эта операция осуществляется в программе Cyclone REGISTER. Важная особенность программы – возможность комбинирования разных типов сшивки/геопривязки между собой, используя для этого специальные марки (их можно распознавать как в поле, так и в программе Cyclone), перекрывающиеся участки облаков точек и даже построенные в Cyclone векторные элементы (например, участки трубопроводов). При необходимости некоторым объектам, участвующим в процессе сшивки/геопривязки, может быть задан меньший «вес» при общем уравнивании, например, в случае плохого качества сканирования некоторых марок.

Конечный результат – отчет, генерируемый программой, который позволяет оценить точность и качество сшивки/геопривязки.

Геопривязанное облако точек очищается от измерений, соответствующих посторонним элементам на поверхности резервуара – трубам, лестницам и т.д. Далее пошагово рассмотрим, как происходит работа с облаком точек и получение конечного результата в программе 3DReshaper французской компании Technodigit.

1.     Создание триангуляционной модели, то есть преобразование облака точек в поверхность из треугольников. При этом окончательно убираются посторонние измерения, которые не были удалены на стадии очистки облака точек, а также корректно затягиваются «дырки» – следы элементов, закрывающих поверхность резервуара от сканера (рис. 2).

2.     Анализ дефектов поверхности резервуара путем сравнения его формы с идеальным цилиндром. Такое сравнение в 3DReshaper визуализируется в виде трехмерной цветовой карты отклонений. Можно получить информацию об отклонениях в каждой конкретной точке, оценить размер и величину вмятин и выпуклостей, сравнить результаты с допусками, которые существуют для резервуаров разного размера и срока эксплуатации (рис. 3). Настроенная для резервуаров разного типа цветовая шкала может быть сохранена в качестве шаблона и использована для анализа других резервуаров.

Подобным же образом можно оценить изменение геометрии резервуара во времени, сравнив данные текущей и прошлых съемок. При этом для корректного анализа важно, чтобы съемки производились при приблизительно одинаковой степени заполнения резервуаров.

Трехмерная цветовая карта действительно наглядна и информативна, но для формирования отчетов в двухмерном варианте можно также провести сравнение с идеальной геометрией по сечениям, сделанным вдоль горизонтальных швов (рис. 4).

3. Анализ отклонения резервуара от вертикали. Он производится вдоль каждого вертикального пояса – вот почему важна хорошая читаемость швов на облаке точек (рис. 5).

4. Анализ наклона окрайки резервуара. Измерение высотных отметок точек окрайки резервуара производится у основания первого пояса, это можно делать по облаку точек (рис. 6). Как уже указывалось выше, при наличии растительности важным преимуществом лазерного сканирования оказывается высокая плотность измерений (рис. 7).

5. Построение сплайновой (NURBS) модели резервуара для выполнения расчетов деформаций и напряжений. Триангуляционная модель в 3DReshaper преобразуется в сплайновую, редактируется и экспортируется в формат IGES для проведения соответствующих вычислений, например, в программном комплексе ANSYS (рис. 8).

Для вышеперечисленных операций требуется построение целого ряда стандартных графиков и выполнение однотипных вычислений, которые к тому же повторяются от резервуара к резервуару. Существенно автоматизировать процесс получения результатов в 3DReshaper позволяет как создание сценариев – определенной последовательности действий и команд, которая может быть записана и сохранена, – так и сохранение шаблонов отчетов, например для графиков или настроек цветовых карт отклонений.

Таким образом, описанная выше система лазерного сканирования, состоящая из сканера Leica ScanStation P30 или Р40 и программных комплексов Leica Cyclone и Technodigit 3DReshaper, может быть эффективно использована для мониторинга нефтеналивных резервуаров. Технология имеет существенные преимущества перед традиционными методами за счет высокой скорости полевых работ, полноты и детализации полученных данных, а также существенной автоматизации процесса обработки при использовании сценариев и шаблонов.

Лазерное сканирование: преимущества и особенности технологии

В этой статье:

• Суть и виды лазерного сканирования
• Плюсы и минусы лазерного сканирования
• Сферы применения лазерного сканирования
• Выбор способа лазерного сканирования
• Обзор популярных производителей и моделей лазерных сканеров

Лазерное сканирование – это современная технология, нашедшая широкое применение в геодезии, археологии, строительстве, проектировании и других подобных сферах деятельности. Сканирование такого типа обладает крайне высокой точностью и возможностями показать 3D-копию объекта.

Данный метод разделяется на несколько видов, каждый из которых оптимален для выполнения определенного круга задач. В нашей статье мы расскажем, как происходит лазерное сканирование, в чем особенности каждого вида и как выбрать лучший под свои нужды.

Суть и виды лазерного сканирования

Для того чтобы получить трехмерный макет объекта, который можно будет использовать при расчетах в строительных работах, необходимо совершить ряд манипуляций по его замерам. С применением тахеометра это происходит долго и проблематично. Однако лазерное сканирование позволяет значительно ускорить этот процесс. Преимущество заключается в принципе работы.

Суть лазерного сканирования в том, чтобы посредством лазерных лучей, направленных на измеряемый объект, и их преломления на поверхностях последнего сформировать облако пространственных координат, из которых затем и будет воссоздан детальный макет.

Для определения расстояния применяются два метода, отличающихся уровнями сложности. Первый (или импульсный) позволяет сделать замеры на основе длительности пребывания волны в пути. Второй (фазовый) дополнительно учитывает такие нюансы, как текстура и отражающие свойства поверхностей исследуемого объекта, и так далее.

Оборудование для трехмерного или 3D-сканирования имеет преимущества перед традиционным геодезическим.

В первую очередь, благодаря такому сканированию появляется возможность измерения большой площади за короткое время, поскольку аппарат может снимать одновременно до миллиона координат по всему диаметру. Это же обстоятельство уменьшает количество перемещений техники для замеров.

Поскольку лазерный сканер исследует поверхности автоматически и делает это с точностью до миллиметра, то вероятность допущения ошибки отсутствует. Таким образом, его применение позволяет быстро получить точную цифровую модель объекта.

Поскольку процесс сканирования автоматизирован, человеческое участие сводится к установке техники на месте и ее последующем переносе при необходимости съемки с другого ракурса. Лазерный прибор фиксирует облако точек быстрее и точнее, чем, например, тахеометр, поэтому результаты с его использованием удается получить быстрее.

Виды 3D-съемки:

• Наземное лазерное сканирование. Производится при помощи стационарных устройств. Используется для измерения объектов с конструкцией разного уровня сложности (частные дома, высотные здания, производственные установки и т. д.).
• Воздушное лазерное сканирование. Осуществляется при помощи летательных аппаратов (в том числе управляемых дистанционно) и используется для измерений сверху больших, а также плотно застроенных территорий.
• Мобильное лазерное сканирование. Поскольку оно требуется для измерения протяженных объектов, прибор фиксируется на транспортном средстве (автомобиле). Таким образом осуществляется сканирование дорог и инженерных систем.

Плюсы и минусы лазерного сканирования

Возможность получения точных данных позволяет существенно сократить сроки строительных и ремонтно-восстановительных работ. Потому что, во-первых, лазерный сканер во много раз быстрее и точнее стандартных измерительных приборов. Во-вторых, его результаты могут храниться в полном объеме на электронных носителях и совместимы с большинством современных компьютерных систем проектирования, среди производителей которых Autodesk, AVEVA, Intergraph.

Лазерное сканирование объектов имеет определенные плюсы:

• Высокая точность. За счет различных настроек есть возможность определять расстояние до миллиметра и вычислять по начальному и конечному отражениям текстуру поверхности для ее дальнейшего распознавания.
• Детализация. За счет рассеивания лазерных лучей во всех направлениях участок охватывается полностью и результат съемки оказывается исчерпывающим. Так называемые «белые пятна» в таком случае отсутствуют.
• Моментальное отображение результатов. Современные лазерные сканеры сразу выводят на экран картинку того, что измеряют, за счет чего экономится время на дополнительной расшифровке, а пользоваться ими проще.
• Безопасность. Технология лазерного сканирования позволяет с дальнего расстояния изучать труднодоступные участки и объекты. При этом четкость, точность и полнота результатов сохраняются.
• Автоматизация. Каждый лазер заранее настроен, поэтому для работы с ним достаточно нажатия кнопки и выбора режима. Далее техника сама все зафиксирует и передаст результаты на экран, исключив вероятность появления ошибок под влиянием человеческого фактора.

Однако для объективной оценки данной категории измерительных устройств необходимо знать и их минусы. Ведь каждый недостаток – это возможность для улучшения. Именно благодаря такому подходу производители выпускают все больше универсальных приборов, совмещающих в себе различные возможности.

Итак, недостатки лазерных сканеров:

• Работают только при положительных температурах. Есть модели, которые выдерживают отрицательные значения, примерно до -20 °С, однако таких мало, и за счет этого они стоят дороже.
• Программное обеспечение для лазерных сканеров зачастую не учитывает конструктивного многообразия объектов, поэтому некоторый массив точек приходится заносить в базу данных вручную. Сами приложения автоматически конвертируют только ту часть, которая соответствует простым геометрическим формам.

Это интересно!

“Виды инженерных изысканий: цели, задачи, состав работ”

Подробнее

Отдельно необходимо отметить, что при всех возможностях и преимуществах автоматики применение лазерного сканирования все равно требует участия человека. Безусловно, оно позволяет измерять сложные и опасные объекты с большого расстояния и сохранять точность и полноту картины. Однако именно специалист определяет места съемки и устанавливает технику, планирует время измерений, сравнивает результаты, выполняет с ее помощью обмер сооружений со сложной конструктивной формой и т. д.

Сферы применения лазерного сканирования

За счет универсальности современную технику можно использовать при различных направлениях. В качестве ее объектов выступают здания с простой и сложной геометрической формой, протяженные инженерные конструкции, труднодоступные и опасные удаленные участки и многое другое. Результаты съемки же хранятся в оцифрованном виде, с которым работает большинство проектировочных программ.

Данные лазерного сканирования применяются в следующих направлениях:

• проектирование зданий и сооружений;
• контроль на любом этапе строительства и ремонта;
• перенос на план инженерных коммуникаций и специальных сооружений;
• проверка текущего состояния объектов;
• 3D-моделирование интерьера и экстерьера – дизайн;
• монтаж кровли, высотные работы;
• контроль над состоянием объектов культурного наследия, фасадами здания, светопрозрачными конструкциями и работами по их ремонту/восстановлению;
• проверка фактического состояния промышленных сооружений, их последующая реставрация и наблюдение за ее выполнением;
• составление топографических карт и отслеживание состояний инженерных конструкций;
• моделирование и реконструкция археологических памятников.

Это интересно!

“Экологические изыскания для строительства: задачи и состав работ”

Подробнее

Помимо перечисленного выше, лазерные технологии применяются для сканирования объектов транспортной инфраструктуры, в которую входят дороги, мосты, тоннели и прочие сооружения.

Выбор способа лазерного сканирования

Методы измерения объектов зависят от их типов и того, какие задачи стоят перед специалистом. Например, здание целесообразно сканировать наземными способами с применением стационарной техники, крупные участки (500 и более гектаров) – воздушными, а протяженные (дорога, трубопровод, заградительные сооружения) – мобильными.

Лазерное сканирование с воздуха позволяет оценивать обширные территории. В частности, участки, поросшие лесом, заболоченные, со сложным рельефом, фиксировать которые с земли нецелесообразно и долго. Этот тип сканирования является полным и одновременно дорогим.

ТЛО (точки лазерных отражений) отображаются в зависимости от метода исследования. При наземном – по интенсивности обратного луча, при воздушном – в соответствии с классификацией объектов, при мобильном – согласно цветам с фотоснимков.

Типы лазерного сканирования выбираются как с учетом размеров объекта, так и исходя из требуемой точности измерений. Так, наземное дает погрешность 2–5 мм., мобильное – до 5 см., а воздушное – до 15–20 см.

Таким образом, в зависимости от особенностей исследования каждый метод ориентирован на решение определенного круга задач:

• Воздушное лазерное сканирование применяется на крупных объектах и труднодоступных участках, конструкциях с большой протяженностью. Также используется при создании объемной цифровой модели городов.
• Мобильное лазерное сканирование применяется для оценки и контроля за состоянием дорожных полотен, ж/д веток, мостов, тоннелей. Также с его помощью моделируется городская инфраструктура.
• Наземное лазерное сканирование используется для получения максимально точных снимков. В частности, при оценке степени деформации мостов, тоннелей, шахт и т. д.

Данные, собранные воздушным и мобильным методами, благодаря использованию тахеометра и GPS-приемника могут быть дополнены и уточнены. Таким образом, уровень детализации получаемой модели измеряемого объекта повышается многократно.

Это интересно!

“Инженерно-геологические изыскания для строительства: задачи и особенности проведения”

Подробнее

Например, в случае с мобильным сканированием за счет установки опорных точек традиционными способами через каждые 50–100 м точность увеличивается до 1 см. При этом метки допустимо использовать как для уравнивания, так и в качестве контрольных, то есть применяемых в сравнительном анализе результатов.

Объемное моделирование применяется практически во всех областях жизни и используется повсеместно. Воздушное помогает разведать рельеф на участке, мобильное – оценить состояние ж/д полотна, наземное – просканировать и отобразить сложные геометрические сооружения.

Обзор популярных производителей и моделей лазерных сканеров

FARO Focus

Новая модель серии S c GPS-связью и возможностью работы при ярком освещении (солнечный день, множество отражений). Отличается легкостью, удобством транспортировки и небольшими размерами.

Это интересно!

“Гидрометеорологические изыскания: состав работ, этапы проведения, содержание отчета”

Подробнее

Модель FOCUS 3D S 150 имеет дальность 150 м и погрешность на максимальном расстоянии в 2 000 мкм. Подходит для применения в дизайне, архитектуре и строительстве, создания цифровой модели оборудования и прочих объектов простой и сложной конфигурации.

SHINING 3D

Китайский производитель портативных сканеров FreeScan X5 (X5+), FreeScan X7 (X7+), отличающихся легкостью, компактностью и широким спектром применения. Несмотря на незначительный вес (1 кг), они спроектированы для выполнения работы на профессиональном уровне.

Creaform

Компания известна тем, что выпускает качественное оборудование для сканирования, которым можно начинать пользоваться сразу. Простота эксплуатации и высокие характеристики HandySCAN 3D, MetraSCAN 3D дополняются портативностью. С их помощью можно выполнять лазерное сканирование зданий и их отдельных сегментов, крупных и малых объектов разной сложности.

ScanTech

Высокотехнологичное оборудование HandHeld Prince используется для сканирования объектов разных размеров и геометрических форм. Его работа основана на принципе использования красных и синих лучей, сочетание которых позволяет достичь высокой точности полученной цифровой модели. Оборудование, несмотря на «техническую начинку» и характеристики, портативное и компактное.

Таким образом, сегодня лазерное сканирование в геодезии и инженерии является перспективным направлением. По сравнению с традиционными приспособлениями для измерения объектов оно точнее, надежнее и быстрее, а получаемая цифровая модель может использоваться во множестве современных компьютерных программ по проектированию. Безусловно, такой тип сканирования стоит дороже, однако именно благодаря ему результаты не требуют переоценки и существенно экономят время.

Можно сделать вывод, что сейчас лазерное сканирование зданий и сооружений является наиболее перспективным направлением для проведения различных инженерно-геодезических работ. Высокая технологичность метода дает неоспоримые преимущества в сравнении с другими видами топографической съемки. При этом использование новой технологии не только не увеличивает стоимость услуг, но даже помогает выгодно сэкономить.

Что такое 3D-сканирование? | Laser Design

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, благодаря которым лазерное сканирование кажется таким простым для клиентов Laser Design.

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

Что такое 3D-сканирование?
Лазерное 3D-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, 3D-лазерное сканирование — это способ запечатлеть точный размер и форму физического объекта в компьютерном мире в виде цифрового трехмерного представления.

Лазерные 3D-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 сложных геометрических форм, для точного описания которых требуются огромные объемы данных и где это невозможно сделать с использованием традиционных методов измерения или контактного щупа.

Процесс 3D-сканирования:

Сбор данных с помощью 3D-лазерного сканирования
Процесс 3D-лазерного 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 2 сенсорные камеры непрерывно регистрируют 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 дюйма).

Выбор модели зависит от приложения
После создания огромных файлов данных облака точек они регистрируются и объединяются в одно трехмерное представление объекта, а затем подвергаются постобработке с помощью различных программных пакетов, подходящих для конкретного приложения.

Данные облака точек для проверки
Если данные должны 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, который графически описывает различия между данными сканирования и данными САПР.

CAD-модель 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!

Что такое технология трехмерного лазерного сканирования?

Что такое технология трехмерного лазерного сканирования?

03.09.2018 Дункан Парнелл

Для тех, кто работает в секторе промышленного производства и других соответствующих отраслях, услуги лазерного 3D-сканирования быстро становятся стандартом во многих аспектах процессов лазерного 3D-сканирования. Услуги 3D-сканирования являются обязательными, начиная с процесса проектирования и заканчивая проверкой и распределением продукции.

Прежде чем шаг за шагом научиться пользоваться 3D-принтером, вы должны сначала понять, как работает процесс 3D-лазерного сканирования, какую пользу он может принести вашей компании, его различные приложения и современные тенденции в отрасли.

Что такое лазерное 3D-сканирование?

Лазерное 3D-сканирование — это технология, использующая лазеры для измерения геометрии объекта для создания цифровой 3D-модели. Эта технология используется во многих отраслях и в различных условиях, поскольку лазерное 3D-сканирование может считывать трехмерные данные объектов независимо от особенностей их поверхности или размера.

Поскольку сканирование выполняется с помощью лазеров, объекты не нужно физически трогать, чтобы получить точные записи существующих размеров объекта. Из этих сканов вы сможете создать модель с помощью программного обеспечения для создания 3D-изображений.

Что такое 3D-визуализация?

По сути, 3D-изображение — это способность создавать иллюзию глубины в 2D-изображении. Программа манипулирует данными в 2D-изображении, чтобы они отображались в 3D-формате. На практике 3D-изображение полезно, если вам нужно построить объект в цифровом виде, а также может быть полезно, когда вам нужно распечатать 3D-модель.

3D-модели, созданные с помощью лазерного сканирования, создаются путем захвата измерений с различных точек зрения с помощью лазерных точек или линий. Тысячи точек данных, захваченных лазерами и компьютерным программным обеспечением, сгруппированы в облака точек. Эти облака точек содержат координаты, все из которых имеют значения x, y и z, где x обозначает восток, y — север, а z — высоту. Количество деталей и информации, содержащейся в этих точечных значениях, позволяет пользователям создавать максимально точные цифровые модели.

Четыре основных применения лазерного 3D-сканирования

Не зря лазерное 3D-сканирование используется в промышленном производстве. Это полезно в различных приложениях, которые могут принести значительную пользу компании. Ниже вы найдете некоторые из наиболее важных способов, которыми компании используют лазерное 3D-сканирование:

1. 3D-моделирование, проектирование и печать

После того, как вы сделали лазерное 3D-сканирование, у вас будет несколько различных способов его использования. данные. Например, одним из наиболее распространенных применений 3D-лазерного сканирования является преобразование его в цифровую модель. Часто эти цифровые модели преобразуются в форматы 3D CAD с использованием программного обеспечения для 3D, такого как Artec Studio. В программе вы можете просматривать и взаимодействовать с моделью, что идеально подходит для компаний, которые хотят внести коррективы в существующий продукт.

Часто компании используют 3D-данные, полученные при сканировании продуктов или объектов, для проектирования аналогичных продуктов или объектов. Кроме того, одним из самых впечатляющих новых применений 3D-лазерного сканирования является 3D-печать. С помощью 3D-печати объекты или модели зданий можно сканировать и распечатывать в различных размерах.

2. Реверс-инжиниринг

Если у вас есть объект с неизвестными размерами, вы можете использовать 3D-лазерное сканирование для получения наиболее точных измерений. Затем данные сканирования могут создать трехмерную модель объекта или пространства в нескольких форматах. Такая функциональность обратного проектирования означает, что компании могут понять, как реконструировать объект, даже не имея проектной документации.

3. Планирование

Одним из наиболее полезных применений лазерного 3D-сканирования в нескольких отраслях является возможность лучше планировать будущие действия и прототипы. Скажем, у вас есть объект, и вы хотите добавить к нему новую машину или участок. Вы можете сканировать текущий объект, чтобы найти, где новые части объекта или машины могут вписаться в текущую структуру. Те же принципы могут быть применены к продуктам, которые должны быть совместимы с другими продуктами компании.

4. Маркетинговые и образовательные приложения

Для компаний, которые работают с клиентами и занимаются дизайном, 3D-лазерное сканирование может помочь маркетинговым командам виртуально донести свой продукт до клиентов. В образовательной сфере 3D-лазерные модели могут использоваться в качестве учебного пособия, чтобы показать людям, как правильно конструировать или производить различные предметы. Например, студенты, изучающие архитектуру, могут счесть полезным, чтобы инструктор показал им, как здание поддерживает свою структурную целостность с помощью данных, которые предоставляет сканирование.

Хотя 3D-сканирование до сих пор иногда кажется волшебством, оно стало возможным благодаря передовым технологиям, которые постоянно совершенствовались годами. Лазерный 3D-сканер — это бесконтактная неразрушающая цифровая технология, которая фиксирует форму физического объекта с помощью линии лазерного луча. Он создает облако точек или набор точек данных в системе координат, которые представляют точный размер и форму трехмерного объекта.

3D-сканеры измеряют мельчайшие детали объекта, захватывая формы произвольной формы и создавая точные облака точек для объектов со сложной геометрией и рельефными поверхностями. Это позволяет быстро собирать точные данные и быстро их доставлять.

Как это работает: процесс лазерного 3D-сканирования

Лазерное 3D-сканирование за последние годы претерпело революцию, обеспечив повышенную точность, ускорение сканирования и лучшие результаты. Контролируемое управление лазерными лучами, в дополнение к измерению расстояния, делает этот процесс возможным. Внутренний поворотный энкодер в машине управляет движением сканирования, регулируя несколько сканирующих зеркал для направления лазерных лучей. Процесс происходит в несколько этапов:

1. Сканирование

Первым шагом в процессе лазерного 3D-сканирования является выбор объекта или объекта, который вы хотите отсканировать. Как только вы выберете свой объект, вам нужно будет его отсканировать. Для более мелких объектов вы поместите их на платформу дигитайзера, чтобы начать процесс сканирования. Для более крупных объектов, таких как здания, вам понадобятся другие типы портативных 3D-лазерных сканеров, которые можно доставить на место.

Какие существуют типы 3D-сканирования?

Чтобы правильно сканировать объект, вам необходимо знать два основных типа 3D-сканирования, представленных сегодня на рынке: времяпролетное и триангуляционное.

– Триангуляция

Триангуляция использует тригонометрию для получения наиболее точных размеров объекта. Этот метод включает в себя использование сканера и камеры, причем камера находится в верхней вершине треугольника, а лазерный сканер находится под камерой во второй вершине. Объект находится в третьей вершине, ожидая сканирования.

Как только сканер, камера и объект находятся на месте, сканер сканирует объект. Поскольку расстояние и угол между лазером и камерой известны, сканер может рассчитать расстояние до объекта, а затем начать измерение всего объекта.

Сканер производит измерения, излучая лазерную линию. Эта линия позволяет одновременно сканировать и измерять поперечное сечение объекта. Лазер перемещается вверх по поверхности объекта, пока не захватит все его размеры. Полученные данные затем передаются в компьютер, где вы можете использовать их в различных приложениях. Как правило, компании используют этот тип сканирования для приложений малого радиуса действия, когда объекты обычно меньшего размера.

– Времяпролетное сканирование

В отличие от триангуляции, времяпролетное сканирование может выполняться на большом расстоянии и часто используется для более крупных работ по сканированию, таких как здания или транспортные средства. На практике эти сканеры можно считать лазерными дальномерами, поскольку они определяют расстояние до сканируемого объекта или поверхности, что помогает им проводить измерения. Они проводят эти измерения с помощью системы LiDAR.

Как работает LiDAR? Короче говоря, LiDAR собирает точные данные, излучая лазерный свет, а затем измеряя, сколько времени требуется, чтобы свет достиг поверхности и отразился обратно к датчикам. Поскольку скорость света является известной константой, количество времени, которое требуется, чтобы добраться до поверхности и отскочить назад, сообщает 3D-сканеру расстояние между ними.

Как только расстояние будет определено, лазер начнет сканирование, измеряя расстояние по одной точке за раз. Сканер автоматически перемещает лазер в каждую точку поверхности в своем поле зрения, при этом процесс происходит очень быстро. Большинство времяпролетных сканеров могут измерять тысячи точек данных в секунду. Из-за возможности сканирования на средних и больших расстояниях этот метод часто используется при сканировании окружающей среды или геодезии.

2. Данные

Данные, полученные в результате этого процесса, представляют собой облако точек. Во время движения лазера на мониторе компьютера появляются миллионы точек, которые фиксируют всю форму поверхности любого сканируемого объекта. Процесс собирает до миллиона точек в секунду с помощью передовых моделей, таких как лазерные сканеры TX8 и другие. Сканеры поддерживают точность в пределах 0,0005 дюйма от точного значения.

Файлы данных облаков точек огромны. После их генерации они регистрируются и объединяются в 3D-представление объекта. Затем они обрабатываются различными программными пакетами в зависимости от конкретного приложения.

3. Использование данных

После того, как данные будут собраны и изображение будет полностью визуализировано в любом используемом вами программном обеспечении для сканирования, вы сможете выбрать тип модели, которую хотите создать, с помощью вашего программного обеспечения. Возможности трехмерного изображения. Иногда вам может понадобиться только цифровая модель, но вы также можете распечатать модель, если хотите увидеть более осязаемое визуальное представление продукта.

Если вы используете полученные данные для проверки, вы можете сравнить номинальные данные САПР дизайнера с отсканированным вами объектом. Из этого сравнения вы можете получить отчет об отклонении, в котором используется цветовая карта. Этот отчет покажет разницу между любыми данными САПР и данными сканирования.

Кроме того, данные можно использовать для обратного проектирования с помощью модели САПР. Лазерное сканирование объекта предоставит много информации, которую вы затем сможете использовать для обратного проектирования объекта. В программном обеспечении данные облака точек из объекта могут быть подключены для построения 3D-модели CAD геометрии объекта.

После создания CAD-модели можно легко быстро воспроизвести точную копию отсканированного объекта. Реверс-инжиниринг также позволяет компаниям исправлять любые недостатки предыдущих моделей. Путем реинжиниринга они могут найти недостатки, а затем сохранить то, что работает, при корректировке деталей, которые имеют проблемы в модели САПР.

Преимущества использования лазерного 3D-сканирования

Лазерное 3D-сканирование и картографирование имеют ряд преимуществ, которые целесообразно использовать промышленным производителям и другим предприятиям. Чтобы дать вам представление о том, как лазерное 3D-сканирование может помочь вашей компании, рассмотрите следующие преимущества:

• Контроль качества. Когда дело доходит до обеспечения надлежащего производства продукции, трехмерное лазерное сканирование быстро становится обязательным. Он доказал свою ценность тем, что смог быстро предоставить пользователям обновленную информацию о конструкции продукта. Например, компания может использовать данные, полученные в результате сканирования, чтобы выявить любые допущенные ошибки и исправить их до того, как продукт будет представлен публике.
• Быстрое прототипирование . Главным преимуществом лазерного 3D-сканирования является возможность сократить количество необходимых циклов прототипирования. Используя данные 3D-сканирования, вы уменьшите количество создаваемых прототипов, так как у вас будет возможность получить измерения прямо перед запуском в производство. Прежде чем он будет произведен, объект будет построен с правильными физическими размерами, что придаст ему правильный масштаб и надлежащую функциональность.
• Оптимизация разработки и производства . Данные, собранные с помощью 3D-сканирования, могут быть применены к инженерным частям проекта. Например, данные 3D-сканирования помогут вам выполнить инженерный анализ CAE, FEA и CFD для ваших созданных или модифицированных продуктов.
• Точная документация . В различных отраслях промышленности трехмерное лазерное сканирование дает компаниям возможность точно документировать предлагаемые ими продукты. С помощью 3D-лазерного сканирования компании могут быстро получить точные измерения для всех предлагаемых ими продуктов.
• Уложиться в срок . Хотя это может быть неочевидно, услуги 3D-сканирования могут помочь компаниям следить за ходом своей работы. Если вы строительная компания, регулярное лазерное сканирование даст вам подробную информацию о том, сколько всего было сделано на строительной площадке, что затем обеспечит соблюдение сроков. Тот же принцип применим к производству объектов, поскольку лазерное сканирование может отслеживать ход всего, что производится.

Технологические тенденции, влияющие на возможности 3D-лазерного сканирования

В настоящее время в индустрии 3D-лазерного сканирования ведутся дебаты о достоинствах использования фотограмметрии или 3D-лазерного сканирования для создания интерактивных 3D-моделей. Как правило, лучше использовать фотограмметрию, если вам нужно быстро охватить большое пространство, но для тех, кому нужен более высокий уровень точности, лазерные сканеры должны быть вашим лучшим выбором.

Одной из основных технологических тенденций, ускоривших 3D-лазерное сканирование, стало появление дронов, которые могут быстро собирать данные в труднодоступных местах. Эта новая технология частично закрывает разрыв между фотограмметрией и трехмерным лазерным сканированием с точки зрения скорости. Компании также начинают использовать БПЛА для устранения процессов сбора данных с помощью LiDAR, что может сократить некоторые расходы, связанные с LiDAR.

Поскольку реверс-инжиниринг и проверка деталей продолжают становиться основными элементами промышленного производства, точность, которую обеспечивает трехмерное лазерное сканирование, делает его очевидным выбором по сравнению с предыдущими методами фотограмметрии. Другие новые тенденции включают в себя больше мобильных сканеров LiDAR, большую автоматизацию и более быстрые процессы, рост мультимодальных сканирований и большую интеграцию AR/VR.

Обращайтесь в Duncan-Parnell с любыми вопросами о 3D-сканировании или визуализации

Услуги 3D-сканирования жизненно важны для современных промышленных производственных процессов. Технология трехмерного лазерного сканирования имеет множество применений и преимуществ, которые могут повлиять практически на каждый этап проектирования и производства продукции. Для тех, кто заинтересован в добавлении 3D-сканеров, 3D-программного обеспечения или услуг 3D-сканирования, рассмотрите возможность просмотра нашего широкого выбора продуктов для 3D-сканирования.