Программное обеспечение, используемое для обработки данных сканирования

Программное обеспечение, используемое для обработки данных сканирования

 31 августа 2012 3816

В настоящее время известно большое количество программных продуктов для обработки результатов наземного лазерного сканирования и 3-D моделирования. Поэтому задача правильного выбора таких программ является актуальной. Для разрешения данной задачи следует выделить ряд критериев, который даёт возможность всесторонне оценить то или иное программное обеспечение: 
 
- Редактирование облаков точек 
- Ориентирование точечных моделей 
- Построение Mesh-поверхности  
- Создание NURBS (неоднородный рациональный B-сплайн (англ. Non-Uniform Rational B-Spline, NURBS) — универсальный способ представления сплайновых кривых и поверхностей в САПР, обладающий основными геометрическими свойствами кривых и поверхностей Безье и позволяющий (в отличие от последних) точно представлять многие канонические кривые и поверхности) 
- Создание трёхмерной модели с помощью примитивов 
- Создание профилей и разрезов 
- Создание ортофотоизображений. 
- Текстурирование 
 
Для анализа было выбрано несколько программных продуктов, которые на данный момент являются ведущими в данной области: Cyclone, PolyWorks/Modeller, Trimble 3Dipsos 3.0, Kubit Point Cloud, Inus RapidForm2006, Z+F LaserControl, Metris Focus Inspection, Trimble RealWorks Survey. Они были изучены по вышеуказанным критериям на предмет возможности их применения в качестве программного обеспечения для создания 3-D моделей по данным лазерного сканирования. Результаты были обобщены и приведены в таб. №1. 
 
Cyclone 
Наиболее универсальная программа для обработки облаков точек и управления сканером. Cyclone состоит из отдельных модулей (рис.1), встраиваемых в единую программную оболочку. Различные модули предназначены для решения отдельных задач общего процесса обработки данных трехмерного лазерного сканирования. 

Рисунок 1. Схема модулей программы Cyclone.

 
 
Cyclone-Scan - это модуль для управления  работой сканера. Пользователь может  настраивать плотность сканирования, фильтрацию данных, создавать собственные  макрокоманды и сканировать. 
 
В Cyclone-Register есть все функции для быстрого и точного уравнивания облаков точек, сделанных с различных станций съемки. Cyclone-Register автоматически распознает стандартные визирные марки, а также связывает сканы по характерным связующим точкам без визирных марок. 
Модуль Cyclone-Model дает возможность обрабатывать облака точек, превращая их в объекты для экспорта и импорта в системы автоматизации проектных работ (САПР). Имеются мощные средства поддержки комплексных топографических моделей с возможностью сглаживания нерегулярных сетей треугольников поверхности, что позволяет уменьшать объемы данных при сохранении точной геометрии. Достаточно легко, непосредственно из облака точек создаются сечения вдоль ломанной, а также линии равных высот (изолинии). Функция определения рядом стоящих точек даёт возможность быстро и точно создавать трехмерные модели из облаков точек. Функция работает следующим образом: выбирается одна или несколько точек, затем с помощью алгоритма наилучшего размещения программа автоматически находит соседние точки, удовлетворяющие условию построения соответствующей фигуры. И алгоритм работает до тех пор, пока вновь найденные точки не будут удовлетворять условию построения фигуры. Таким образом, можно построить цилиндры (трубы), плоскости, сглаженные поверхности. Алгоритм основан на методе наименьших квадратов и все статистические данные (СКО, среднее и максимальное отклонение от среднего и т.д.) показывают надежность построения модели. 
Cyclone Object Exchange – бесплатная программная утилита для обмена данными между Cyclone и AutoCAD (2000 или более новый) и MicroStation (SE, /J и V8). 
 
Trimble 3Dipsos 3.0 
Данная программа предназначена для создания 3D-моделей сложных технологических установок, промышленных площадок, цехов по данным наземного лазерного сканирования (НЛС). Используется для моделирования сложных промышленных установок, состоящих из огромного количества труб, профилей, фланцев, вентилей, а также трёхмерного представления объектов, каждый из которых описывается атрибутивной информацией (является быстрым и современным средством документирования и инвентаризации технологического оборудования, используемое в нефтегазовой, добывающей, перерабатывающей и других отраслях). Пользовательский интерфейс довольно сложный и разработан для профессионалов. 
 
Также есть возможность модификации пользовательского интерфейса, присутствует внутренний язык программирования. На всех этапах моделирования 3Dipsos совместим с AutoCAD. Помимо моделирования на уровне примитивов, 3Dipsos, как и Cyclone обладает стандартными возможностями по сшивке сканов, сегментированию, построению и редактированию триангуляционных сетей. 
 
Metris Focus Inspection 
Metris Focus Inspection представляет собой набор инструментов для быстрого изучения крупномасштабных облаков точек, собранных с использованием сканеров. Также, как и Cyclone, Trimble 3Dipsos 3 MFI позволяет заменять облака точек на геометрические примитивы. 
 
Так как данный продукт был разработан в большей мере для автомобилестроительной отрасли, то он обладает рядом функций, которые не прослеживаются в других программах. Например, существует возможность задания геометрических характеристик и допусков для объекта, позволяет формировать отчеты на базе готовых шаблонов и допускает экспорт результатов исследований в системы статистического контроля производственных процессов.  
По нашему мнению MFI не может составить достойную конкуренцию другим ПО по 3-D моделированию, так как в связи со своей узконаправленностью не отвечает всем запросам по обработки данных сканирования. (в частости, не развита возможность создания триангуляционных сетей mesh). 
 
PolyWorks/Modeller 
Данная программа так же, как и Cyclone, состоит из отдельных модулей, которые по аналогии с модулями Cyclone отвечают за объединение облаков точек в цельное изображение, переход от объединенного облака точек к триангуляционной модели. Также в программе реализованы различные механизмы создания кривых и инструменты их редактирования, а также функции создания и редактирования NURBS-поверхностей, строящихся по кривым). Кривые могут создаваться вручную по указанным точкам, как пересечение некоторой плоскости с моделью, по сечениям, формироваться автоматически в виде сетки, отстоящей от модели на заданном расстоянии и повторяющей ее с заданной точностью. Поверхность NURBS описывается сплайнами Безье и является твердотельной моделью объекта, которая может быть экспортирована в различные конструкторские программы для анализа или редактирования (изменение геометрической формы, задание физических свойств материала для расчета центра масс, анализ поведения при различных нагрузках и др.). 
 
Можно выделить следующие полезные функции программы: возможность проведения детального сравнения как внутри массивов данных, ссылочных объектов и примитивов, так и между ними; возможность получения статистических и отчетных материалов, а также контроля положения и состояния сложных конструкций (измерение линейных и угловых размеров, площадей, объемов). 
 
Trimble RealWorks Survey  
TRWS, как и другие ПО, позволяет производить сшивку (геопривязку) данных, редактирование точечной модели (чистку, разрежение) и непосредственно обработку, тип которой зависит от способа представления конечного результата. 
 
Стоит отметить, что RWS разрешает производить сшивку сканов несколькими способами, один из которых представляет собой автоматическую подгонку - программный способ сшивки, при котором итерационный алгоритм смещает один скан относительно другого и находит оптимальное положение по выбранным трём точкам на каждом скане, которые хорошо идентифицируются. Такой способ сшивки был выявлен нами только в данном продукте. 
 
Кроме того, RWS обладает следующими функциями: 
1) сегментирование - разбиение облака точек на сегменты ("подоблака") для упрощения дальнейшей работы и очистки от "мусора" (нежелательных объектов, попавших в сектор съёмки);  
2) построение срезов, сечений. Сечения могут проводиться в любой плоскости, с любым интервалом; 
3) построение изолиний; 
4) векторизация 3D- и 2D-полилиний по трёхмерному точечному растру; 
5) инспектирование - количественный анализ, картирование и визуализация отклонений между объектами съемки. Эта функция используется для сравнивания данных сканирования с проектом или для мониторинга - выявления изменений геометрии объекта с течением времени; 
6) создание триангуляционной, или TIN-поверхности.  
7) ортопроецирование.  
8) трехмерное моделирование - новый модуль, появившийся в последней, 6-й версии программы, позволяет встраивать в облака точек и редактировать геометрические примитивы - плоскости, цилиндры, конусы, торы и т.д.  
 
Также имеется возможность дешифровки и классификации объектов, а кроме того, программа работает с изображениями, получаемыми как со сканера, так и со сторонней камеры, что позволяет накладывать текстуры на полигональные модели для раскрашивания точечной модели.  
На наш взгляд TRWS является полноценной программой для 3-D моделирования и обработки данных сканирования, но к сожалению мы не смогли более глубоко изучить её возможности, так как компания Trimble не предоставляет учебных версий программ для своих покупателей. 
 
Z+F LaserControl 
Z+F LaserControl – это программа, предназначенная для управления сканером и для генерации облаков точек. Она поставляется вместе со сканером и именно в ней происходит как сама съёмка, так и предварительная обработка данных (регистрация сканов, редактирование облаков точек, создание первичной 3-D модели и видеофайлов, создание ортофотоизображений по которым в программе Autocad создаются чертежи фасадов зданий, архитектурного оформления и т.д., тем самым, затраты времени на выполнение чертежей сокращаются).  
 
Приступая к сканированию, мы имеем возможность провести съёмку в одном из 3 режимов: 
1) непосредственно все материалы записываются в память сканера. Данный режим неудобен, так как управление сканером осуществляется с помощью кнопок управления на контрольной панеле. 
2) управление через Интернет-страницу прибора. 
3) управление с помощью программы Z+F LaserControl через сеть. На наш взгляд это самый рациональный вариант, так как данные сохраняются сразу на ПК в проект, а также имеется возможность непосредственно в полевых условиях провести распознавание марок на скане. После завершения сканирования облако точек загружается в Z+F LaserControl автоматически. 
Работу с облаком точек следует начать с регистрации скана, при этом для упрощения процесса несколько сканов могут быть объединены в проект.  
 
Регистрация скана происходит следующим образом: 
1) на начальном этапе, непосредственно в поле после завершения работы, на скане отмечаются марки (для регистрации одного скана необходимо 3 марки, расположенные не на одной горизонтальной плоскости). Для этого необходимо указать предполагаемое местонахождение марки (то есть, нет необходимости точно выверять её расположение), и далее Z+F LaserControl в автоматическом режиме найдёт центр искомой марки. Также записывается номер марки. 
2) данные марки в поле измеряются тахеометром и в дальнейшем в камеральных условиях вычисляются их координаты в местной системе координат или мировой (в зависимости от поставленной задачи). Координаты вместе с номерами точек записываются в текстовый файл. Следует учесть, что у сканера правая система координат, поэтому в значении y необходимо поставить знак минус. 
3) на заключительном этапе с помощью функции register происходит непосредственно регистрация сканов. 
 
После завершения регистрации можно приступать к предварительной обработке облаков точек. 
 
В Z+F LaserControl мы можем создавать различные маски (иными словами выбирать из облака точек, только те области, которые участвуют в дальнейшей обработке изображения). При создании маски имеется возможность удалять точки, которые являются некорректными из-за того, что лазерный луч отразился от ребра. В этом случае часть лазерного излучения попадает на весь объект, а другая часть рассеивается. В результате мы имеем точки, расположенные отдельно между объектами и которые должны быть удалены. Этот фильтр не изменяет данных. Он создаёт маску (по одному биту на точку) и маркирует только некорректные точки. Также стоит упомянуть о возможности отключать все точки в диапазоне дальности большей или меньшей, чем определено в соответствующем диалоговом окне.  
После создания маски, переходим в окно изображения 3-D. При выполнении перехода можно выбрать размер точек и их плотность (для того, чтобы уменьшить размер файла, потому что Z+F LaserControl имеет пределы в возможности обработки данных). 
 
Теперь можно перейти к созданию триангуляционной сети на основе облака точек. Эта функция в данном программном обеспечении присутствует, но использовать её в полной мере (создание триангуляционных сетей на большие площади) невозможно в виду нескольких причин: 
- LaserControl не может обрабатывать большие облака точек (например, фасад целого здания) 
- файл с преобразованием облака в mesh-объект можно записать только с расширением *.iv. Данный формат не открывается ни одним программным продуктом, который имеется в открытом доступе. 
 
Kubit Point Cloud 
Kubit Point Cloud – это дополнительный модуль к программе AutoCAD, предназначенный для визуализации и анализа миллионов (При наличии 2 Гб оперативной памяти, программа позволяет загружать до 30 млн.) точек в 3-D режиме, расширяющий возможности AutoCAD в представлении больших облаков точек и их управлении. 
 
Основной формат импорта данных – обычный текстовый, где для каждой точки даны её координаты и (если присутствуют) данные об интенсивности или цвете. Экспорт в такой формат возможен практически из любой программы предназначенной для обработки данных лазерного сканирования, в том числе из программ Z+F LaserControl и 3Dipsos. Импортированные точки сохраняются в виде бинарного PTC-файла, который занимает меньший объём и быстрее загружается, чем обычный текстовый. 
 
Данный модуль имеет ряд функций, которые существенно упрощают обработку данных при дальнейшем проектировании. Среди них можно выделить следующие: 
1) импорт облаков точек с данными о цвете и интенсивности отражения для каждой точки (рис.) 
2) одновременная работа с облаком точек и подложенными ориентированными изображениями. 
3) сегментирование облака точек с возможностью показа и скрытия отдельных сегментов. Данная функция полезна при создании профилей фасада ( 
4) поддержка функции Pointsnap, которая допускает идентификацию координат каждой точки. Далее облако точек может обрабатываться стандартными командами AutoCAD.  
5) изменение количества точек при динамическом или статическом положении точек. При этом после прекращения команды количество точек становится начальным. Программа позволяет отключить/включить точки, цветность. 
6) создание дополнительных плоскостей, которые используются в дальнейшем при создании чертежей в 3-D.