1. Общие замечания

Лазерные сканирующие системы (ЛСС) в последнее время все чаще используются для съемок объектов культурного наследия. Основное преимущество по сравнению с методами наземной фотограмметрии – это возможность определения пространственных координат сотен и даже нескольких тысяч точек нерегулярных поверхностей практически в реальном времени. Однако, вопросы качества и точности этих измерений пока недостаточно изучены. Технические данные ЛСС производства различных фирм несопоставимы друг с другом. В исследованиях, проводимых в институте i3mainz, использовались несколько разных тест-объектов, которые позволяют выполнять анализ качества результатов измерений лазерными сканирующими системами и геометрических моделей, построенных на основе облаков точек. Единая методика проведения опытов впервые позволила провести объективное сравнение инструментов различных фирм. Эта методика предусматривала сканирование плоских поверхностей различной отражающей способности с разных расстояний. На основе полученных облаков точек строилась наилучшая аппроксимирующая плоскость и выполнялась оценка шумов в измеренных расстояниях. Кроме того, анализировалось, насколько различные материалы влияют на систематические погрешности в расстояниях. Несколько тест-образцов представляли собой сферы белого цвета, с их помощью собиралась информация о точности определения расстояний в направлении сканирования и в поперечном направлении. Короткие расстояния контролировались с помощью интерферометрического компаратора, а большие – высокоточными геодезическими методами. Из-за различных размеров сетки и лазерного пятна не все пространственные сканеры обладают одинаковыми возможностями для получения детальных данных. Кроме того, как известно, эти факторы существенно влияют на погрешности воспроизведения граней и краев объектов. Оба эти фактора были проанализированы в ходе экспериментов для того, чтобы установить, как различные ЛСС позволяют ослабить их влияние. Результаты тестирования могут быть получены фирмами-производителями, а пользователи приглашаются для тестирования их сканеров. Результаты лазерного сканирования должны отвечать определенным требованиям, которые предъявляются к точности конкретных видов работ. Если применяемые инструменты и методы обеспечивают точность, значительно превосходящую требуемую, это приведет к излишним расходам. По этой причине все геодезические работы включают в себя не только определение координат точек и объектов, но и оценку точности результатов. Метод наименьших квадратов основан на принципе избыточных измерений и обычно дает наиболее надежные сведения о точности измерений и конечных результатов. Если число измерений недостаточно для выполнения уравнивания, то можно погрешности результатов можно оценивать по заявленной точности используемых инструментов. Лазерные сканеры позволяют за чрезвычайно короткое время определять пространственные координаты очень большого количества точек поверхности объекта. Некоторые важные геометрические детали объекта, например, его углы, края и грани, при сканировании непосредственно не регистрируются; а должны моделироваться по полученным облакам точек. Хотя имеется возможность выполнять съемку одного и того же объекта с различных точек, при таких повторных измерениях невозможно регистрировать те же самые точки. По этой причине, расхождения в результатах могут быть выявлены только после того, как объекты будут определены по облакам точек и должным образом смоделированы. Если геометрические параметры объекта хорошо известны, то отклонения конкретных точек от его поверхности могут использоваться для оценки точности. Использование в качестве тест-объектов плоских целей в этой ситуации представляется самым подходящим вариантом, но применение цилиндрических и сферических поверхностей тоже может оказаться полезным.

2. Точность лазерных сканеров

2.1 Общие замечания

Как уже отмечалось выше, нельзя просто сравнивать точностные параметры, которые даются различными фирмами-изготовителями лазерных сканирующих систем. Как показывают наши эксперименты, иногда им просто нельзя доверять, а реальная точность этих сканеров, выпущенных малыми сериями, может быть разной для инструментов такой серии и зависит от их индивидуальной калибровки и от того, как с этим инструментом обращались на практике. Каждое облако точек, зарегистрированные лазерным сканером, содержит значительное количество точек с грубыми погрешностями определения их пространственного положения. Если такое облако точек получено при геодезических работах, то в отличие от других геодезических инструментов и методов, качество результатов не может быть однозначно определено только по техническим параметрам сканера. Уже имеется ряд публикаций, посвященных тестированию ЛСС на точность (например, Balzani и др. 2001, Johansson 2002, Kern 2003, Lichti и др. 2000, 2002). С учетом результатов этих исследований нами была разработана программа испытаний, которая и была использована для тех лазерных сканеров, которые были нам предоставлены.

2.2 Угловая точность

Лазерный пучок в сканере отклоняется зеркалом или призмой и направляется на объект. Для отклонения луча в другой плоскости, перпендикулярной к первой, обычно используется ось вращения инструмента или дополнительное оптическое устройство. Отсчеты углов в этой плоскости используются для вычисления пространственных координат точек. Любые погрешности измерения этих углов приведут к ошибкам в направлении, перпендикулярном линии распространения лазерного луча. Поскольку координаты всех точек проверить очень трудно, то этой проблеме посвящено очень мало публикаций. Погрешности в измерениях могут быть выявлены путем измерения коротких расстояний в горизонтальной и вертикальной плоскости между объектами (например, сферических), которые расположены на одном и том же расстоянии от сканера, и сравнением полученных результатов с измерениями, выполненными более точными методами.

2.3 Дальномерная точность

В лазерных сканирующих системах, основанных на измерении расстояний, дальности вычисляются по времени прохождения сигнала или с помощью сравнения фаз излученного и принятого сигнала. Такие сканеры, предназначенные для работы при удалении от объектов съемки до 100 м, продемонстрировали свою способность обеспечения такой же точности и при измерениях на больших дальностях. «Триангуляционные» системы сканирования решают проблему определения расстояний с помощью треугольника, который образован точкой расположения устройства отклонения лазерного луча, положением точки на поверхности объекта и оптическим центром камеры, установленной на некотором расстоянии от поверхности объекта. Камера позволяет определить направление отраженного сигнала. В отличие от «дальномерных» сканеров, точность определения расстояний, которая обеспечивается триангуляционными сканерами, снижается пропорционально квадрату расстояния между сканером и объектом съемки (Boehler, Marbs, 2002).

Погрешности определения расстояний могут быть определены путем сканерных измерений расстояний, которые известны с высокой точностью. Если сканер не оборудован системой принудительного центрирования, то возможно только определение разностей расстояний только между измеренными точками. Плоские, цилиндрические или сферические поверхности могут использоваться для процедур оценки точности только в тех случаях, когда известны координаты точек этих поверхностей, определенные инструментами и методами, обеспечивающими более высокую точность по сравнению с точностью ЛСС. Принимая во внимание то, что систематическая ошибка масштабирования будет присутствовать во всех измеренных расстояниях, ее можно учесть, когда разности в расстояниях по направлению распространения лазерного луча хорошо известны. Эта погрешность будет влиять на расстояния между двумя точками, которые зарегистрированы системой по различным направлениям относительно положения сканера. Если такие точки находятся на одном и том же расстоянии от сканера, то погрешности определения их расстояния от сканера будут равны систематической ошибке при различии направлений на них в 60о; а при различии направлений в 180о (например, при сканировании всех стен помещения панорамным сканером с точки, расположенной в центре этого помещения) могут достигать удвоенной величины этой систематической ошибки.

Достаточно быстрым и простым методом определения «шумов» (случайных ошибок измерения расстояний) является способ, при котором плоский объект располагается перпендикулярно направлению сканирования, что позволяет вычислить средние квадратические ошибки (СКО) расстояний по точкам аппроксимирующей плоскости и точками облака. Анализ этих данных, помимо прочего, позволяет проверить, насколько такие погрешности связаны с реальным разрешением сканирующей системы (например, 1 см), что характерно для некоторых типов сканеров (Kern, 2003).

2.4 Разрешающая способность

Этот термин по-разному трактуется при обсуждении достоинств различных лазерных сканирующих систем. С точки зрения пользователя, этому понятию соответствует способность обнаружения малых объектов или их компонент в облаке точек. С технической же точки зрения, ему соответствует две различных технических характеристики лазерной сканирующей системы, а именно – минимальное значение угла между двумя последовательными точками и размер лазерного пятна на самом объекте. Большинство сканеров допускает ручную настройку минимального угла. Поскольку это значение и размер лазерного пятна определяют собой пространственное разрешение, то тест-объект с малыми по размерам компонентами, которые не совпадают с его плоскостью, могут использоваться для операций, связанных с определением разрешающей способностью.

2.5 Граничные эффекты

Даже при должной фокусировке лазерное пятно на объекте будет иметь определенные размеры. Когда луч попадает на край или грань объекта, только часть отраженного сигнала будет получена системой. Остальная часть принятого сигнала является отражением от смежной поверхности, расположенной за гранью или вообще от поверхности, не имеющей отношения к сканируемому объекту. Как «дальномерные», так и «триангуляционные» сканеры зарегистрируют целый ряд точек с ошибочными координатами вблизи граней и краев. Такие точки обычно можно обнаружить вдоль направления лазерного луча после точки его отклонения системой позади граней или краев объекта (если смотреть с точки установки ЛСС). Ошибки в дальностях могут варьироваться от нескольких миллиметров до дециметров.

Очевидно, подобная ситуация является неизбежной, поскольку лазерное пятно невозможно сфокусировать до размеров измеряемой точки. Можно предположить, что ЛСС с улучшенными возможностями фокусировки будут способны обеспечить более высокое качество. При использовании стандартных целей с различными типами граней и краев результаты, полученные разными ЛСС, могут использоваться для выполнения сравнительного анализа их достоинств. Систематические эффекты могут наблюдаться в тех случаях, когда цилиндрические и сферические тест-объекты сканируются с близкого расстояния (см. например, Lichti и др. 2002). В таких случаях, на периферийных областях объектов их геометрический центр может не совпадать с центром отраженного пучка.

2.6 Влияние отражательной способности поверхности

Лазерные сканирующие системы используют сигнал, отраженный от поверхности объекта в направлении приемника сигналов - в случае «дальномерных» сканеров, либо в направлении камеры - в случае «триангуляционных» сканеров. В любом из этих случаев на интенсивность принимаемого отраженного сигнала помимо других факторов, таких как расстояние, влияют атмосферные условия, угол падения луча и отражающая способность поверхностей (альбедо). Белые поверхности дают более сильный отраженный сигнал по сравнению с более темными поверхностями. Сила сигнала, отраженного от цветных поверхностей зависит от спектральных характеристик лазера в зеленом, красном и ближнем инфракрасном диапазоне. Блестящие поверхности, как правило, затрудняют регистрацию сигналов. Установлено, что поверхности с неоднородной отражательной способностью способны вызывать систематические ошибки в расстояниях. Для некоторых типов материалов эти ошибки могут достигать величин, в несколько раз превосходящие среднюю квадратическую погрешность одного измерения дальности. При тестировании некоторых ЛСС, имеющих систему коррекции апертуры, было установлено, что ошибки измерений в первых точках новой поверхности, достигнутых лазерным лучом и имеющим существенную иную отражательную способность по сравнению с ранее отсканированной областью, могут быть весьма существенными. Более точные результаты в таких ситуациях можно получить только после того, как несколько точек новой поверхности будут отсканированы. В случае сканирования объектов, состоящих из различных материалов, либо содержащих элементы разного цвета или типа покрытия, вполне возможно появление больших погрешностей. Этого можно избежать, временно накрыв объект однородным по отражательной способности материалом, что далеко не всегда возможно в большинстве случаев. Для исследования точности измерений можно использовать плоские объекты белого цвета, закрепив в его середине тот материал, свойства которого нужно проанализировать. После того как будут определены аппроксимирующие плоскости для этой «задрапированной» средней части, а затем будет выполнена та же операция для остальной (белой) части объекта без учета его средней области, можно определить разности между этими двумя типами плоскостей, что позволит оценить влияние данного фактора.

2.7 Условия окружающей среды

Температура. Любой сканер будет только работать должным образом только в определенном температурном диапазоне. Но даже в пределах этого диапазона могут наблюдаться вариации в результатах измерении. Следует отметить, что температура внутри ЛСС может быть значительно выше температуры окружающей среды из-за внутреннего или солнечного нагрева. Атмосфера. При измерении коротких расстояний изменение скорости распространения света из-за колебаний температуры и/или атмосферного давления не будет серьезно влиять на результаты измерений. Тем не менее, несколько пользователей ЛСС уже обнаружили, что измерения в условиях высокой концентрации в воздухе пара или пыли приводят к результатам, сходным с описанными выше эффектами на гранях и краях объектов. Внешние источники излучения. Лазеры работают в достаточно узкой полосе частот. Поэтому есть смысл применять фильтры в модуле приема сигналов для связи на нужной частоте с камерой. Если постороннее излучение (солнечный свет или искусственное освещение) является достаточно сильным по сравнению с рабочим сигналом, то его значительная часть может пройти через фильтр и будет способна повлиять на точность или даже на общую возможность выполнения работ.

2.8 Технические требования и аспекты, не касающиеся точности

В целом, данная статья нацелена на изучение проблем точности измерений. Тем не менее, имеется ряд и других факторов, важных для пользователя (см., например, Boehler, Marbs, 2002). К числу таких факторов относятся: быстродействие системы, диапазон расстояний, поле обзора, тип лазера, наличие средств обработки наборов данных, полученных в разных сеансах сканирования, и приведения данных к координатам опорной сети, наличие камер для воспроизведения изображений, способных работать в комбинации со сканером, вес оборудования и простота его транспортировки, возможности источников питания, уровень герметичности и влагоустойчивости аппаратуры для работы в сложных метеорологических условиях или в агрессивной среде, а также качество сопровождающего программного обеспечения. Кроме того, условия предлагаемой разными поставщиками технической поддержки и гарантий существенно отличаются друг от друга. По этой причине такие факторы должны быть тщательно проанализированы потенциальными пользователями ЛСС (помимо технических данных оборудования) перед принятием решения о покупке той или иной ЛСС.

3. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ В ИНСТИТУТЕ i3mainz

3.1 Общие замечания

После принятия решения о проведении тестирования различных ЛСС с целью сравнительного анализа точности и других их потребительских качеств, потребовалось должным образом подготовить помещения и другое оборудование для выполнения этих испытаний. Для оценки времени, необходимого для проведения измерений, и сопутствующих расходов, был разработан набор тест-объектов с использованием стандартных материалов. Само тестирование проводилось в двух специально выделенных для этого помещениях Университета прикладных наук, FH Mainz. Большинство из проведенных нами тестов может быть повторно выполнено в любом другом помещении с использованием таких же тест-объектов и типов их окраски. Поскольку отдельные отсканированные точки не могут служить для сравнительного анализа, для тестирования точности измерения расстояний, нами были разработаны сферические тест-объекты белого цвета диаметром 76.2 мм с креплением на поверхности при помощи магнитной пластины фирмы MENSI. В ходе испытаний ЛСС, предназначенных для решения различных прикладных задач должны были показать свою способность обнаруживать и моделировать объекты такого типа и размера. Пластины в ходе наших экспериментов использовались для оценки шумов (случайных ошибок) в определении расстояний и анализа их зависимости от отражательной способности разных поверхностей. Для будущих исследований были также разработан ряд других типов тест-объектов, описанных далее. Следует отметить, что наша методика испытаний не позволяет определять конкретные механические, оптические или электронные источники ошибок в лазерных сканерах. Результаты тестирования дают возможность лишь оценить влияние этих погрешностей на точность определения расстояний в конкретных условиях. Например, при определении короткого расстояния между двумя сферами, находящимися на одном и том же удалении от сканера, сначала по облаку точек строилась их пространственная модель, на основании которой можно выполнить общую оценку угловой точности ЛСС, но эта оценка не позволяет получить информацию о точности определения углового положения какой-либо конкретной точки. Для тестирования ЛСС, которые были в нашем распоряжении, применялись одни и те же процедуры и тест-объекты, что обеспечивает объективность сравнения достоинств этих инструментов в реальных условиях. Для сферических и плоских тест-объектов использовались сетки с шагом 4 и 5 мм соответственно. Если в каких-либо случаях это было невозможно, то густота сетки выбиралась максимально близкой к этим значениям. При тестировании ЛСС на разрешающую способность и проблемы эффектов на краях объектов там, где это было возможно, применялись сетки с шагом 1 мм. Регистрация всех объектов выполнялась только один раз, используя одно измерение на каждую точку с записью результатов до 0.1 мм. Моделирование положения точек и сферических поверхностей проводилось путем уравнивания по методу наименьших квадратов. Известные геометрические свойства тест-объектов (неплоскостность пластин, диаметр сфер) использовались в качестве опорных параметров. Программное обеспечение 3Dipsos фирмы Mensi использовалось для обработки всех измерений после проверки того, что оно дает те же самые результаты для таких задач, что и другие программные пакеты. При моделировании аппроксимирующих плоскостей, точки вблизи краев удалялись оператором вручную. После построения моделей сферических тест-объектов для оценки точности определения расстояний по направлению лазерного луча, все их краевые точки тоже были удалены вручную (они, однако, использовались при оценке точности измерения расстояний по ортогональному направлению). Моделирование и все последующие процедуры выполнялись одним и тем же оператором.

3.2 Угловая точность

Ошибки в углах между двумя лучами могут быть обнаружены при измерении короткого расстояния между двумя сферами, расположенными на одинаковом удалении от сканера. Моделирование сфер неизбежно приведет к фильтрации низких частот. По этой причине такие результаты не позволят выявить случайные малые изменения угла.

Рис. 1: Блок для установки сферических тест-объектов на ступеньках лестницы

Первая испытательная установка использует белые сферы в блоке, который может быть установлен положение с точно известными координатами на каменной лестнице в конце 60-метрового коридора. Блок для их установки (см. рис. 1) позволяет неоднократно устанавливать его с точностью до десятых долей миллиметра при помощи шести болтов на его дне и боковых сторонах. Таким образом, его можно в любое время установить в положение, координаты которого определены точными геодезическими методами. Тест-объекты располагались с обеих сторон ступенек лестницы на расстоянии приблизительно 1 м друг от друга (рис. 2). Это позволяет независимо определить шесть коротких расстояний по горизонтали и шесть по вертикали.

В другом лабораторном помещении четыре сферы были закреплены на одной из его стенок в углах прямоугольника размерами 3.5 на 5 м. (см. рис. 4). Так как специально изготовленные стальные пластины оборудованы двумя механическими контактами для установки магнитных пластин крепления сфер (см. рис. 3), сферы всегда можно снова точно установить на места, координаты которых определены высокоточными геодезическими методами. Данный набор тест-объектов сканировался с расстояния порядка 15 м с трех пунктов (см. рис. 4). Как и в предыдущем случае, это позволяет получить шесть независимых измерений расстояний в горизонтальной плоскости и шесть - в вертикальном направлении, которые можно сравнить с их точно известными значениями.

Рис. 2: Расположение сфер на ступеньках лестницы	Рис. 3: Стальная пластина для установки сфер на стены	Рис. 4: Расположение сфер в стенке и постах наблюдения

3.3 Точность измерения расстояний

Случайные ошибки (шум). Наиболее просто задача оценки этих погрешностей может быть решена с помощью сканирования плоских объектов и построения их моделей. Полученные в результате отклонения в положении точек представляют собой надежный источник информации для оценки относительной точности измерения расстояния. В тестировании использовались пластины, окрашенные в разные цвета: белый, серый и черный с отражательной способностью порядка 80, 40 и 8% соответственно. Сравнение измеренных и точно известных расстояний. Было выполнено три разных теста для определения расхождений между определенными различными ЛСС и точно известными расстояниями. В качестве целей использовались сферические тест-объекты (см. рис. 2). При этом расхождения в измерении коротких расстояний определялись при удалении ЛСС от объекта до 60 м, а горизонтальные составляющие по направлению лазерного луча использовались для определения шести независимых расстояний. Кроме того, для установки сферических тест-объектов использовались стенки шкафчиков, расположенных в этом длинном коридоре. Места установки имели очень точные координаты, что позволило дополнительно получить расхождения в 4 расстояниях на средних удалениях от ЛСС.

Наконец, для измерений на малых удалениях от ЛСС (3 - 8 м), сферический тест-объект помещался в интерферометрический компаратор и переносился в шесть разных мест разнесенных друг от друга на 1 м, что позволило получить еще 3 независимо определенных расхождения в расстояниях. Поскольку все описанные в данном параграфе измерения выполнялись по направлению распространения лазерного луча, то выявить с их помощью систематическую погрешность было невозможно. Ее можно оценить по результатам измерения более длинных расстояний в перпендикулярном направлении, как это показано на рисунке 4. Расхождения в расстояниях в данном случае могут быть связаны как с угловой погрешностью, так и дальномерной систематической ошибкой.

3.4 Разрешающая способность

Рис. 5: Тест-объект с прорезями переменной ширины для определения разрешения ЛСС

Поскольку приводимые фирмами-производителями данные о дискретности сканирования и размерах лазерного пятна не дают возможности корректно оценить разрешающую способность их ЛСС, то нами был разработан эмпирический метод определения этого важного параметра. Для этого был изготовлена камера с фронтальным размером порядка 300 мм x 300 мм (см. рис. 5). На ее передней панели сделаны прорези шириной 30 мм на краях, которые сужаются по мере приближения к центру. Если ЛСС имеет высокое разрешение (малая угловая дискретность и маленькое лазерное пятно), то ее сигналы должны отражаться не только от передней панели, но и от дна камеры, которое расположено на расстоянии примерно 55 мм от передней панели. При очень высоком разрешении ЛСС отраженные от дна камеры сигналы должны регистрироваться не только на внешних краях прорезей, но и вблизи центра «мишени». Данный тест-объект можно использовать для получения информации о разрешающей способности при измерениях с различных расстояний.

3.5 Краевые эффекты

Рис. 6: Пластина для изучения эффектов на краях

Специальная пластина (см. рис. 6) использовалась для получения данных о том, сколько точек будет зарегистрировано с низкой точностью из-за эффектов на ее краях. Сканирование выполнялось на фоне неба, что позволяет исключить влияние объектов, расположенных сзади этой пластины. Прикрепленная спереди пластина меньшего размера служила для моделирования эффекта отражений от двух различных объектов. Оценка результатов производилась с помощью картины полученного облака точек (см. рис. 10).Цилиндрический тест-объект. Он представляет собой вертикально устанавливаемую трубу диаметра 100 мм. Сканирование выполнялось с расстояния в 3 м. На основании модели, построенной по облаку точек, выполнялось сравнение полученного таким образом ее диаметра с известным его значением. Кроме того, для визуальной оценки полученных по облаку точек результатов использовалось графическое их представление, которое позволило провести и визуальное сравнение известного и определенного с помощью ЛСС диаметра объекта.

3.6 Влияние отражательной способности поверхностей

Рис. 7: Пластина с белой каймой и различными типами окраски центральных квадратов

При проведении испытаний применялись пластины с широкой белой каймой и квадратной областью в центре с различной отражающей способностью (см. рис. 7). Для каймы и центрального квадрата строились свои модели плоскостей. Точки на краях при этом исключались. Разность расстояний для каждой из этих пар плоскостей позволяет оценить погрешность, которую можно ожидать в подобных ситуациях.
Для центрального квадрата использовались следующие краски и материалы:
Белая матовая (аэрозоль) с отражательной способностью 90 %
Белая матовая (аэрозоль) с отражательной способностью 80 %
Серая матовая (аэрозоль) с отражательной способностью 40 %
Черная матовая (аэрозоль) с отражательной способностью 40 % 8 %
Металлик (аэрозоль)
Полированная алюминиевая фольга
Черная фольга, применяемая для тест-объектов ЛСС CYRAX.

Кроме того, в число тест-объектов был включен резиновый конус с оранжевыми и белыми полосами, используемый в дорожных работах, поскольку ранее для такого объекта были выявлены большие погрешности сканирования, что, кстати, может наблюдаться и при сканировании объектов, окрашенных в такие «предупреждающие» цвета (например, геодезических реек).

3.7 Условия окружающей среды

Как уже упоминалось, имеется целый ряд условий, которые способны влиять на точность измерений лазерной сканирующей системой. Они будут проанализированы в ходе наших дальнейших исследований.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

4.1 Важные предварительные замечания

При выполнении испытаний на точность различных инструментов необходима определенная стандартизация их проведения. Нами был выбран подход, при котором каждый объект сканировался один раз при заданном шаге сетки. Альтернативно можно было бы использовать тот факт, что некоторые ЛСС регистрируют намного больше точек в некоторые интервалы времени, и брать этот интервал в качестве стандартного, допуская при этом еще некоторое время для завершения сканирования объекта. Кроме того, можно применять и соотношение между точностью и стоимостью при рассмотрении различных вариантов приобретения ЛСС и соответствующих эксплуатационных расходов. С учетом вышесказанного нами были получены приведенные далее результаты.

ЕСЛИ КАКАЯ-ЛИБО ЛСС ПОКАЗЫВАЕТ “ЛУЧШИЕ” РЕЗУЛЬТАТЫ ПО СРАВНЕНИЮ С ДРУГОЙ, ЭТО ВОВСЕ НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО ОЗНАЧАЕТ, ЧТО ОНА БУДЕТ ЛУЧШЕ И ПРИ РЕШЕНИИ ИНОЙ ЗАДАЧИ, ОТЛИЧНОЙ ОТ ТЕХ, КОТОРЫЕ РЕШАЛИСЬ В ХОДЕ НАШИХ ТЕСТОВ.

Например, некоторые ЛСС не позволяют применять сетки с густотой в 4 или 5 мм и по этой причине не показали высоких результатах в ходе проведенного нами тестирования, хотя они почти наверняка отлично подойдут для решения задач иного типа (см. также разделы 2.8 и 4.8). В тестировании приняли участие все ЛСС, которые используют принцип определения времени прохождения сигнала или принцип триангуляции, способны регистрировать точки с расстояния 10 м и по заявленным техническим данным могут применяться для решения различных задач сканирования. Список таких ЛСС приведен на нашем сайте: http://scanning.fh-mainz.de . Мы пригласили фирмы-производители и пользователей ЛСС к сотрудничеству в тестировании. Мы очень благодарны тем из них, кто предоставил свое оборудование для тестирования, и тем, кто обещал сотрудничать с нами в ближайшем будущем. В приведенной ниже таблицы перечислены ЛСС, которые уже были протестированы нами. Этот список будет обновляться на сайте по мере его пополнения.

Таблица 1: Протестированные сканеры (o – ЛСС из инструментального парка института i3mainz, m – ЛСС предоставлен фирмой-изготовителем, u – ЛСС предоставлен пользователем, а - современное название: Leica HDS 2500, b - по конструкции идентичен ЛСС Leica HDS 4500).

Рис. 8: Случайные ошибки по направлению измерения расстояний (СКО положения одной точки) для различных сканеров по тест-объекту серого цвета (отражательная способность 40 %)

4.2 Ошибки в расстояниях по ортогональному направлению

Таблица 2. Среднеквадратичные отклонения в мм по результатам измерения минимум 12 независимых вертикальных и 12 независимых горизонтальных расстояний (в ортогональном направлении) между двумя сферами.
а Из-за крупной сетки тестирование выполнялось только на малых расстояниях.
b Причина: низкая дальномерная точность принципа триангуляции для больших расстоянии. Намного лучшие результаты получены с близких расстояний (например, 0.8 мм по вертикали и 0.2 мм по горизонтали с расстояния 4 м).

4.3 Ошибки в расстояниях по направлению лазерного луча

Таблица 3: Разность между известными и измеренными расстояниями по направлению лазерного луча. СКО в мм вычислены по измерениям минимум 12 независимых коротких расстояний между двумя сферами с близкого расстояния и 14 независимых коротких расстояний с более дальних расстояний.
а -моделирование сфер было невозможно при дальних расстояниях из-за слишком крупной сетки
b -0.2 мм с 4 метров и 0.5 мм с расстояния в 6 м
c -с расстояния 22 м
d -только 4 измерения с большого расстояния
e -только 2 измерения

4.4 Разрешающая способность

Результаты сканирования тест-объекта, показанного на рис. 5, позволяют получить достаточно надежную информацию о разрешении системы, которое может быть достигнуто. Полученные из измерений облака точек для различных ЛСС приведены на рис. 9.

Дискрет сканирования точек для ЛСС Callidus и Riegl LMS-Z210 был слишком большим, чтобы работать с данным тест-объектом с этого расстояния.

4.5 Эффекты на краях

Результаты, полученные для регистрации краев, приведены в таблице 4. Качество их регистрации можно также оценить по графическим примерам, показанным на рисунке 9.

4.6 Влияние отражательной способности поверхности

Результаты экспериментов, описанных в разделе 3.6, приведены в таблице 5:

ЛСС не зарегистрировала никаких точек на этой поверхности.

4.7 Условия окружающей среды

Все испытания проводились в помещениях при благоприятных условиях.

4.8 Технические требования и соображения помимо точности

Как уже отмечалось в разделах 2.8 и 4.1, точность не является единственным фактором при выборе лазерной сканирующей системы. Следует, естественно, учитывать и прочие технические характеристики, стоимость оборудования, условия технического сопровождения и гарантии. Необходимо также узнать, как часто и где инструмент должен калиброваться, насколько долгой будет эта процедура, и каковы будут расходы, связанные с ее выполнением (оплата сервиса, транспортировки и т.п.). Что касается программного обеспечения, то следует проанализировать, нет ли необходимости в приобретении ПО для моделирования у других компаний (Boehler, Heinz, Marbs, Siebold, 2002). В приведенных далее таблицах нами указаны некоторых основные преимущества и недостатки различных ЛСС. Эти данные получены в результате опроса пользователей, опыта эксплуатации и субъективных оценок, а не на каком-либо систематическом анализе.

5. ВЫВОДЫ

В некоторых ситуациях лазерные сканирующие системы могут давать низкую точность. Даже в тех случаях, когда в конкретных приложениях точность не играет решающей роли, искажения взаимного положения соседних точек может создавать серьезные проблемы при необходимости моделирования поверхностей или выявления мелких деталей объектов. Результаты наших исследований должны помочь фирмам-производителям в сравнении своих ЛСС с системами конкурентов. Для пользователей данная публикация и информация на нашем сайте может быть полезной при выборе ЛСС, наилучшим образом подходящей для решения их задач.

По материалам доклада на XIX симпозиуме CIPA, Анталья, Турция (30 сентября - 4 октября 2003 г.). W. Boehler, М. Bordas Vicent, A. Marbs

---

Если у Вас возникли вопросы или Вы нуждаетесь в дополнительной информации, МЫ ВСЕГДА ГОТОВЫ ПРОКОНСУЛЬТИРОВАТЬ ВАС