Matti Vaaja Kalvot: Petri Rönnholm. Maa Laserkeilaus 1

Transkriptio

1 Matti Vaaja Kalvot: Petri Rönnholm 1

2 Yleiskeilaimet useimmiten kolmijalalla Keilain voidaan sijoittaa ajoneuvoon On olemassa myös vapaalla kädellä käytettäviä keilaimia Panoraamakeilain Kamerakeilain 2

3 TOF (time-of-flight) Valonpulssin kulkuaikaan perustuvat Vaihe-eroon perustuvat Kolmiointi Muita Rasterifotogrammetria (koodattu rasterointi projisoidaan kohteeseen) Moiré, interferometria, holografia Blais, F.,

4 1. Laserkeilaimen elektroniikka 2. Lasersäde 3. Pyörivä peili 4. Vaakasuunnassa pyörivä osa 4

5 lasersäteen kulkuaikaan perustuva mittaus (vertaa luento 1) Pulssilaseri lähettää lyhyen valonpulssin (yksi kerrallaan) valon lähettäjä valon vastaanottaja valon kulkuaika 1 R ct 2 kohde 5

6 Koska mitataan vain yhtä valonpulssia kerralla, odottelu hidastaa mittaustaajuutta (vrt. luento 1) Ajanmittauksen tarkkuus vaikuttaa Esim., jos halutaan mitata 1 mm tarkkuudella, pitää kyetä havaitsemaan n pikosekuntin aikaeroja 6

7 Lasersäteen vaihe-eroon perustuva mittaus (continuous-wave/phase based) valonsäde moduloidaan esim. sinimuotoiseksi signaaliksi ja sitä lähetetään jatkuvasti verrataan lähetetyn ja vastaanotetun signaalin vaihetta Usein käytetään amplitudiin perustuvaa modulointia (AM=amplitude modulation) valon kulkuaika 7

8 Etäisyys kohteeseen voidaan laskea 1 R 4 f AM c f AM on modulaation taajuus ja on vaihe-ero Modulaation aallonpituus määrää suurimman yksikäsitteisen etäisyyden (yksi suunta) Usein skannerit lähettävät useampaa aallonpituutta R max workshop/presentations/teobaldelli_puig.pdf 2 8

9 Voidaan kuitenkin käyttää muita sensoreita tai pidempää valon aallonpituutta (toinen modulaatio) oikean kokonaisen valoaallon löytämiseksi Pfeifer, Briese 9

10 Amplitudimoduloinnin vaihtoehtona on taajuuden modulointi (FM=frequency modulation) Tarkin TOF-laserkeilaintyyppi Tarkkuudet tyypillisesti mm (25 m) Hyvin kallis toteuttaa f t time 10

11 laserkolmiointi lasersäteestä muodostettu juova (voi olla myös piste) havaitaan kameralla jos kohde on tasainen, kuvalle tulee suora viiva, muuten tulee mutkitteleva juova Jokainen valaistu laserprofiili vaatii oman valokuvan kameran kenno laser peili linssit 11

12 Yhdenmuotoisista kolmioista saadaan ratkaistua kohteen etäisyys kameran projektiokeskuksesta: y f h R R fh y f R r Kameran projektiokeskus y h laser kohde 12

13 Valonlähde valaisee koko kohteen moduloidulla valolla Vastaanottimen jokaisen sensorin pitää kyetä vastaanottamaan sekä taustan intensiteetin että lähetetyn moduloidun valon saapumisajan RF-modulated transmitter (20 MHz) Distance image 2D-detector and 2D RF-phase detector 13

14 Toteutettavissa CCD/CMOS-kennoilla ja ledeillä Saapuneen moduloidun valon vaihe saadaan ristikorreloimalla alkuperäisen signaalin kanssa CCD/CMOS-kennon näytteistys synkronoidaan valon modulointitaajuuden kanssa Näytteistys toistetaan useita kertoja, jotta saadaan vähennettyä kohinaa 14

15 Jos pystytään rekisteröimään 4 havaintoa (A0, A1, A2, A3) moduloidun valon periodin aikana, signaali voidaan palauttaa kokonaiseksi kokonaisintensiteetti amplitudi vaihe Etäisyys saadaan f mod on modulaation taajuus 15

16 Lange, R. and Seitz, P., Solid-state time-of-flight range camera. IEEE Transactions on Quantum Electronics, 37 (3), pp

17 3D etäisyyskamera + värikamera 3D mallin reaaliaikainen analysointi (prosessointi integroitu sensoriin, jolloin ohjaava tietokone ei kuormitu kovin paljon) 17

18 18

19 Lähietäisyyden tarkat teollisuuskeilaimet (kolmiointiin perustuvat) Mittausetäisyys 1-5 m, tarkkuus mm Keskimatkan keilaimet (pulssi tai vaihe-ero) Mittausetäisyys m, tarkkuus 2 20 mm Pitkänmatkan keilaimet (pulssi) Mittausetäisyys m, tarkkuus 2 20 mm 19

20 korkea erotustarkkuus kohtuullinen erotustarkkuus matala erotustarkkuus 1 cm korkea kappale 0.1 mm resoluutio 22 m pitkä kappale 1 mm resoluutio 20 m korkea kappale 8 mm resoluutio kuvat: 20

21 useimpiin keilaimiin saa joko liitettyä tai sitten niissä on integroituna kamera väriarvot pisteille / tekstuuri terävät taiteviivat optiikkana voi olla tavallinen laajakulmainen linssi tai kalansilmälinssi 21

22 22

23 kamerakoordinaatisto keilainkoordinaatisto mallikoordinaatisto maastokoordinaatisto 23

24 kamerakoordinaatisto on kameran oma koordinaatisto origo kameran projektiokeskuksessa voi olla oikea- tai vasenkätinen koordinaatisto pitää selvittää kamerakoordinaatiston asento ja sijainti keilainkoordinaatistoon nähden y z y x Vasenkätinen koordinaatisto z x Oikeakätinen koordinaatisto 24

25 keilaimen oma koordinaatisto useimmiten oikeakätinen riippuu keilaimen alkuasennosta voi olla myös samalla mallikoordinaatisto z y x 25

26 keilatun pistepilven oma koordinaatisto jos ei ole tehty mitään muunnosta, vastaa keilainkoordinaatistoa, origo keilaimen keskellä ja asento vastaa keilaimen alkuasentoa jos on useampia keilauksia, voidaan valita yhden keilauksen koordinaatisto mallikoordinaatistoksi ja muuntaa muut siihen joskus halutaan esim. joku koordinaattiakseli seinän tai kappaleen suuntaiseksi z y x 26

27 Maastokoordinaatisto on jokin tunnettu (esim. valtakunnallinen) koordinaatisto, johon mallikoordinaatisto muunnetaan muunnokseen tarvitaan maaston tunnettuja pisteitä tai piirteitä, jotka näkyvät myös laseraineistossa z y x 27

28 28

29 2D tai 3D tähyksiä Maastossa erottuvia piirteitä Tasataan keilain tunnetulle pisteelle 29

30 käytetään kohteen luonnollisia muotoja rekisteröinnissä ICP pohjaiset (iterative closest point) menetelmät elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2006/2831/pdf/boehm05_phowo.pdf 30

31 31

32 Zoller+Fröhlich, Leica, RIEGL, DeltaSphere, Inc., Konica Minolta, FARO, Callidus, 32

33 Optech, VisImage, (vartalokeilain) Trimble, I-SiTE 3D, Polhemus, (käsikeilain) 3D Scanners, (käsikeilain) MESA Imaging, Metris, metris.com 33

34 Tasattavissa tunnetulle pisteelle Pulssikeilain kohina 2 mm etäisyysmittauksen tarkkuus 4 mm (1-50 m) 3D pisteen tarkkuus 6 mm (1-50 m) käyttölämpötila 0 C - 40 C %; % albedo Keilaustiheys Max pistettä (vaakasuunta) 34

35 Voidaan tasata tunnetulle pisteelle pulssipohjainen, Waveform Digitising kohina 2 mm 3D pisteen tarkkuus 3 mm (1-50 m) Käyttölämpötilat -20 C to +50 C Mittausetäisyys m Keilausnopeus pistettä sekunnissa 35

36 Pulssipohjainen Mittausetäisyydet m Mittausnopeus: 8800 pistettä sekunnissa tarkkuus 8 mm (200 metriin asti) Käyttölämpötilat 0 C C -40 C C (10 min keilaus) 36

37 Perustuu vaihe-eromittaukseen mittausta/s Panoramakeilain kohina 2mm (25 m); 3mm (50 m), 90% albedo 3mm (25 m); 5mm (50 m), 18% albedo tarkkuus 5 mm, 0.4 m -25 m etäisyys; 9 mm, 50 m etäisyys Käyttölämpötila 0 C to +40 C 37

38 pistettä sekunnissa (30 khz), pistettä sekunnissa (300 khz) Mittausetäisyydet m (70 khz), m (300 khz) Tarkkuus 15 mm Käyttölämpötila 0 C - 40 C Voidan tasata tunnetulle pisteelle, sis. inklinometrin ja sisäisen GPS:n 38

39 42000 mittausta/s (100 khz), mittausta/s (300 khz) Mittausetäisyys (70 khz), (300 khz) Tarkkuus n. 8 mm Käyttölämpötila 0 C - 40 C Voidaan tasata tunnetulle pisteelle, sisältää inklinometrin ja sisäisen GPSvastaanottimen Kulmamittaustarkkuus 0.5 mgon Säteen avauskulma 0.3 mrad 39

40 Etäisyysmittaustrkkuus ±2 mm (25 m) Mittausetäisyys 0.6 m ,000 pistettä sekunnissa paino 5.2 kg Vaihe-ero -laser (aiempaa versiota myydään myös nimellä Trimble TX5) 40

41 Etäisyysmittausalue 0.3 m m panoramakeilain kohina mm 10 m:stä mm 25 m:stä 2-10 mm 100 m:stä käyttölämpötila -10 C - 45 C lasersäteen leviäminen <0.3 mrad 41

42 mittausta sekunnissa Etäisyysmittaustarkkuus <2.0 mm (100 m) max mittausetäisyys 120 m (340 m) Käyttölämpötila C 42

43 8800 mittausta/s panoramakeilain, 360 x 80 etäisyysmittauksen tarkkuus 10 mm käyttölämpötila 0, +50 C (nopealla keilauksella -20 ) mittausetäisyys m laserin leviäminen 0.25 mrad Integroitu 70 Mb panoramakamera 43

44 kamerakeilain etäisyysmittauksen tarkkuus 0.05 mm käyttölämpötila 10 C to 40 C max mittausetäisyys m ( m) toimii kolmiointiperiaatteella 44

45 Kamerakeilain (nopea kamera) Paras mittausalue m Tarkkuus X: ±0.22mm, Y: ±0.16mm, Z: ±0.10mm Käyttölämpötila 10 C - 40 C Kolmiointiperiaate 45

46 Liittää automaattisesti käsivaralla keilatut laserjonot toisiinsa 46

47 176 x 144 pixel array Tuottaa reaaliaikaisen 3D videon (54 Frames per second) Led valo Valon aallonpituus 850nm Moduloinnin taajuus 30 MHz Mittausetäisyys m Etäisyysmittauksen tarkkuus +/- 1 cm Sinusoidal ja CBS (Coded Binary Sequence) modulaatio Avauskulma 43.6 x

48 Pitäisi olla tasainen kaari Anttoni Jaakkola, GL 48

49 Toistuvissa mittauksissa ei saada täsmälleen samanlaisia tuloksia 49

50 etäisyysmittarin virhe pulssilasereilla kantoaallosta aiheutuva jaksottainen virhe (puolet kantoaallosta) tähtäysakselin virhe pyörimisakselin virhe mittakaavavirhe vaakasuunnassa vaakasuunnan epäkeskisyysvirhe vaakakehän indeksivirhe laser on sivussa pyörimisakselista 50

51 Kantoaallon aiheuttama virhe (vaihe-eroon perustuvissa keilaimissa) 51

52 Laser ei ole täsmälleen pyörimisakselin kohdalla Sinimuotoinen virhe vaakakulman funktiona 52

53 Vaakasuunnan epäkeskisyysvirhe aiheuttaa korkeuskulmaan sinimuotoista virhettä 53

54 etäisyysmittaukseen tulee sinimuotoista aaltoa eri korkeus- tai vaakakulmasta riippuen vaakasuuntaan tulee sinimuotoista aaltoa korkeuskulman funktiona korkeuskulmaan tulee sinimuotoista aaltoa vaakasuunnan funktiona 54

55 Korkeuskulmassa on sinimuotoista virhettä vaakasuunnan funktiona (mahdollisesti johtuu laitteen mekaanisesta huojunnasta) 55

56 laitteet pitää kalibroida eli selvitetään virhelähteet ja korjataan virheet vaatii testikentän, jossa on paljon tunnettuja tähyksiä 56

57 etäisyys vaakakulma Virheiden korjaukset pystykulma 57

58 suodatus kohina väärät pisteet pois tulkitseminen reunojen irrotus tasojen etsiminen rautalankamalli pinnan kolmiointi mallin yksinkertaistaminen pinnan teksturointi 58

59 praxis.zf-uk.com/lfmmodeller.html 59

60 Cyclone (Leica) CloudWorx (Leica) RealWorks Survey (Trimble) Terramodel (Trimble) 3Dipsos, (mallikirjastoja, esim. putkistoille) SceneVision-3D (3rdtech) (rikospaikkaanalyysit) JRC 3D Reconstructor Faro Record, Scene, Scout, Works, Cloud 60

61 RapidForm (INUS) PolyWorks (InnovMetric) SLIM (3D-shape GmbH) Geomagic Studio/Qualify (Raindrop) LFM Modeller (Zoller+Fröhlich) ScanWorks (Perceptron) PRISM 3D (Quantapoint) I-SiTE Studio/Forensic 61

62 3D-Extractor (Callidus) Light Form Modeller (Zoller+Froehlich GmbH) jne. 62

63 laser valokuva mittausresoluutio hyvä erittäin hyvä syvyysmittaustarkkuus hyvä hyvä intensiteetti/väri rajoittunut erittäin hyvä mittaustapa aktiivinen passiivinen laitteiston hinta korkea matala 3D malliin tarvittava työn määrä keskinkertainen korkea 3D pisteiden määrä suuri riippuu kohteen tekstuurista mittauksen peitto erittäin hyvä hyvä tekstuurin tallentaminen ei/rajoittunut erittäin hyvä 63

64 64

65 65

66 66

67 67

68 kuva: 68

69 kuva: 69

70 kuva: 70

71 kuva: 71

72 kuva: 72

73 73

74 74

75 75

76 76

77 77

78 78

79 79

80 Lichti, D.D., and M.G. Licht (2006) Experiences with terrestrial laser scanner modelling and accuracy assessment. The International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences 36 (Part 5), Lange, R. and Seitz, P., Solid-state time-of-flight range camera. IEEE Transactions on Quantum Electronics, 37 (3), pp Blais, F., Review of 20 years of range sensor development, Journal of Electronic Imaging 13(1), pp