の中に 最初の投稿、 点群について紹介されました。この2番目のブログ投稿では、3Dスキャナーの仕組みについて説明しています。スキャン中に距離を決定する2つの最も重要な方法: ステレオイメージング (2つの異なるビューからのオブジェクトの見え方の違い)および 飛行時間 (反映されて測定に戻るまでにかかる時間)。

ステレオイメージング

ステレオは、2つの異なるビューから見たときのオブジェクトの見え方の深さを測定します。このタイプの手法は、2つに分けることができます。

  1. ダイレクトまたはパッシブステレオ
  2. アクティブステレオ(または構造化されたライト)イメージング。

ダイレクトステレオ

3Dスキャナー
図1:左目(左の画像)と右目(中の画像)の両方からの人差し指。指が背景に対してどのように移動するかを確認してください。右の画像は、オブジェクトが視点に近いほど変位角θが大きくなることを示しています。

ダイレクトステレオは、私たち自身の目が奥行きを見る方法です。最初に背景に対してオブジェクトを左目で見てから右目で見ると、オブジェクトはシフトしているように見えます。シフトが大きいほど、オブジェクトは近くなります(参照 図1)。ステレオは2つのビューで最もよく知られていますが、より多くのビューを使用して一般化できます。

次の関連用語も見つけることができます。 MultiView Stereo(MVS)モーションからの構造(SfM).

MVS は、既知のカメラ位置を使用して2D画像からシーン内の3Dポイントを計算します。 PMVS この原則を実装するアカデミックソフトウェアパッケージです。

SfM 最初にカメラの位置を推定し(不明な場合)、MVSの入力として使用できます。 VSFM このカテゴリのアカデミックソフトウェアの例です。

異なるビューの画像間で対応するポイントを見つけることが不可欠です。一致させる最も簡単なポイントは、コントラストの高いコーナーなど、画像内の明確に定義されたポイントです。 図1 そのようなポイントの例を示します:私の人差し指の先端。

実際には、特にスキャンされたオブジェクトがテクスチャのない大きな滑らかな表面で構成されている場合、たとえば、 図1.

一連の画像でこのような一致する点を見つけるためのいくつかのよく知られた手法は次のとおりです。 SIFT, サーフなど。異なる画像で対応する同じポイントのセットを使用すると、シーン内の3Dポイントを計算できます。

アクティブステレオ

アクティブステレオ(または構造化されたライトを使用)は、異なるビュー間で一致するポイントを見つけやすくする手法です。よく知られているパターンを可視光または赤外線でシーンに投影し、カメラを使用します。次に、発信パターンとカメラで観測されたパターンとの間の変位を分析します(図2).

図2:(a)この場合、Kinectセンサーがシーンに投影するIRパターン。 (b)KinectセンサーがIRパターンを観察する方法の例。 (画像提供: BBZippo)

 

構造センサー、KinectおよびDotProductセンサーの第1世代では、このアクティブステレオ原理を使用しています。利点は、この手法が深さと可視色の両方を同時に記録できることです。

レーザースキャナー(Lidar)

Lidar(または3Dレーザースキャン)は、異なる原理を使用して距離を測定します。 Lidarという言葉は、Light-Radarの短縮形です。 Lidarには、パルスベースの飛行時間(TOF)と位相シフトベースの2つの異なる原則があります。

3Dスキャナー
図3:飛行時間型レーザースキャンの原理赤いビームは出射ビーム、緑のビームは反射ビームです。 (a)では、レーザーパルスを発してからその反射時間を光の速度で受信するまでの時間tの半分を取るだけで、スキャナーは距離dを測定します。

飛行時間

このタイプは最も理解しやすいです。エコーを使用して距離を測定するのに少し似ています。叫んでからエコーを聞くまでの時間は、声がどれだけ遠くに反射したかを示します。ここで、「音声」を「レーザーパルス」に置き換えます。残りは同じです。パルスがデバイスを離れてから反射が戻るまでの時間が、この反射スポットまでの距離を示します。光が299 792 458 m / sで移動する場合、これらの計算は高速です!

これと同じ原理が、レーダー(電波を使用)、ライダー(光波を使用)、ソナー(音波を使用)の基礎となっています。

位相シフトと比較して、飛行時間は通常、最大範囲が200〜300メートル(656〜984フィート)ですが、精度は低くなります。また、1秒間に1パルスしか送信できないため、1秒あたりのポイント数を減らすことができます(1秒あたり〜50,000ポイント)。

位相シフト

このタイプのスキャナーでは、いわゆる“ modulator”放射時間に関連してレーザービームの強度を変更します。スキャナーは、ビームが反射するのにかかった時間を使用して、反射した場所からの距離を計算します。これは 図4.

3Dスキャナー
図4:位相シフトレーザースキャンの原理。レーザーパルスは、時間の関数である強度で光源から放射されます(I0 時間tを放出した0、 私1 時間t1 等々)。色付きのバーは、特定の時間におけるパルスの強度を示します。センサー(またはカメラ)が一連の強度Iを見ると012 パルスが送信された時間を判断できるため、反射にかかる時間を測定し、この時間から再び距離を計算できます。

スキャナーは、ビームの強度を測定することにより、どのパルスがいつ測定されているかを知ることができます。ビームが送信された順序とは異なる順序で戻る場合(反射点がさらに離れているため)、スキャナーはビームが送信された順序を知ることができます。これは、ライトが戻って次のパルスを送信するまで待機する必要がないため、毎秒より多くのパルスを送信できることを意味します。

その結果、位相ベースのスキャナーは1秒あたり約100万ポイントを測定できます。この方法の欠点は、範囲が約60〜200メートルに制限されていることです(197– 656フィート)。

組み合わせ

次のような2つの原則の組み合わせも存在します。 ライカのWaveFormデジタイザー 技術。この技術は、測定速度、距離、精度の間でトレードオフを行います。

静的かモバイルか

モバイルスキャナーも人気が高まっています。モバイルスキャナーは、静的スキャナーほど正確ではありません。ただし、2 cm未満の許容精度(0.8″)を維持しながら、より短時間でより多くの領域をカバーできます。

静的スキャナーを使用して大規模なプロジェクトをスキャンするには、オペレーターがプロジェクト全体をカバーするために多くの異なるスキャン位置を必要とします 図5)。これらのすべての位置でスキャナを慎重に較正する(非常に時間がかかる)場合にのみ、エラーを発生させることなくすべてのデータをマージできます。

点群とは何ですか点群とは何ですか? 3Dスキャナー
図5:スキャナー1から、オブジェクトAの左側が見えるが、水色の領域のすべてがオブジェクトAの後ろ(オブジェクトBを含む)がスキャナー1から見えない、しかし、明るい赤色の領域のすべてはスキャナー2には見えません。紫色の断面はどちらのスキャナーにも見えません。

 

モバイルスキャナーは高速で、したがって安価ですが、少し正確さが劣ります。ただし、それらは通常、アーキテクチャのほとんどのアプリケーションに対して十分に正確です。これらのソリューションは賢い使用します スラム (同時ローカリゼーションとマッピング)可能なアライメントエラーを許容範囲内に保つアルゴリズム。

このようなモバイルスキャナーの例は Geoslam Zeb-REVO。これを使用するために、オペレーターはスキャナーを必要な場所に移動させ、1秒あたり最大50,000ポイントを測定します。 SLAMメソッドは、すべての測定ポイントを1つのポイントクラウドにまとめることができ、精度は〜1.5 cm(0.6″)です。

別のモバイルスキャナーは NavVis M6。これは、オペレーターが動き回ることができる一種のトロリーです。 NavVisは、このシステムはスキャン速度と精度の間で優れたトレードオフをもたらすと主張しています。オペレーターは、静的スキャナーを使用した場合の最大2,000mの1日に10倍スキャンできる領域です。2 (21,527フィート2)NavVis M6システムを使用します。 SLAMアルゴリズムを使用しているため、精度は1 cm(0.4″)よりも優れています。

来週

来週、クラウドポイントスキャンプロジェクトの計画方法について学びましょう。

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BricsCADで点群を使用する方法

  1. ポイントは何ですか?
  2. スキャナーなしで無意味
  3. スキャンプロジェクト中に曇った期待を避ける
  4. ソフトウェアのクラウド
  5. ポイントパフォーマンス
  6. Scan-to-BIM