Ректор член-кореспондент РАН М.П. Федоров
Як ви ставитеся до створення національних стандартів в області бережливого виробництва: «Основні положення і словник» і «Вимоги до системи менеджменту бережливого виробництва»?
В основі технології тривимірного лазерного сканування лежить метод визначення множини тривимірних координат X, Y, Z окремих точок на об'єкті, що знімається. Вимірювання виконуються за допомогою високошвидкісного лазерного далекоміра. Для переходу на наступний вузол уявної сітки промінь лазерного далекоміра після кожного виміру розгортається системою дзеркал на деякий заданий кут. Підвищення щільності вузлів в цій сітці збільшує кількість знятих точок і деталізує зйомку.
Далекомір має високу швидкість вимірювань - від декількох сотень до десятків тисяч операцій в секунду. Координати точок, отримані в результаті сканування об'єкта, об'єднуються у великі групи точок (від сотень до мільйонів), звані на практиці хмарами точок [1 4].
Найпоширеніші сьогодні моделі лазерних сканерів використовують імпульсний лазерний далекомір. Відхилення лазерного променя у вертикальному напрямку здійснюється кроковим електродвигуном із закріпленим на ньому дзеркалом. У горизонтальному напрямку промінь лазера відхиляється шляхом обертання самого сканера (рис. 1). Така схема дозволяє охопити все навколишнє сканер простір. Наприклад, в лазерному сканері Leica Scan Station поле зору становить 360о по горизонталі і 270о по вертикалі (рис. 2). Кутова точність крокових електромоторів, які керують обертанням сканера і дзеркала, поряд з точністю лазерного безвідбивачевого далекоміра, є важливою складовою точності одержуваних координат точок.
Малюнок 1. Принцип дії лазерного сканера
Визначивши далекоміром відстань і знаючи кут відхилення лазерного променя в горизонтальній і вертикальній площинах, можна отримати тривимірні координати кожної точки. Вони будуть знаходитися в системі координат сканера.
За допомогою додаткових операцій і спеціалізованого програмного забезпечення можна буде прив'язати отримане хмара точок до будь-якої необхідної системі координат.
Багато моделей наземних лазерних сканерів мають вбудованої цифровою фотокамерою.
З її допомогою можна зробити знімок оточення приладу. Отримавши панорамну фотографію об'єкта, користувач зможе взяти з неї тільки те, що потрібно, уникнувши сканування зайвих фрагментів і, отже, втрат робочого часу.
Як і в будь-якій сучасній технології, важливу роль в цій грає комп'ютер. Він служить керуючим і запам'ятовуючим пристроєм для лазерного сканера. Підключившись до нього за допомогою кабелю, ми можемо вибирати на екрані область сканування, задавати потрібну щільність зйомки, проводити фотографування об'єкта, задавати координати точки стояння сканера, відстежувати поточний стан процесу сканування, управляти збереженням результатів.
Малюнок 2. Лазерний сканер
Технологія зйомки із застосуванням лазерного сканера залежить від геометрії і типу об'єкту, що знімається. Для досягнення результату іноді доводиться багаторазово переставляти сканер з точки на точку, виконуючи зйомку окремих деталей і фрагментів. Причина - наявність мертвих зон. що виникають через різні обставини. Тому нерідко виникає необхідність привести відзнятий матеріал до єдиної системи координат. Для цього під час зйомки на об'єкті або поруч з ним встановлюються марки, за допомогою яких проводиться об'єднання хмар точок. отриманих з різних точок сканування. Для просторової трансформації хмар потрібно, як мінімум, три марки на кожну точку установки сканера. Ці три точки з марками повинні бути видні з суміжних точок. Сам процес об'єднання хмар точок виконується в спеціалізованому програмному забезпеченні.
Сканування не є кінцевою метою роботи, це лише один з методів досягнення необхідного результату. Тут важливо заздалегідь визначити, чи потрібна тривимірна модель об'єкта або ж досить складання креслення - від цього буде залежати щільність одержуваних точок і, як наслідок, час на сканування. При необхідності детального опису об'єкта ми отримуємо великий масив даних у вигляді хмар точок (рис. 3).
Наступний етап роботи - виділення з отриманого набору даних тієї інформації, на підставі інтерпретації якої ми прийдемо до кінцевого результату. Це може бути, скажімо, розріз об'єкта в потрібній площині або його тривимірна модель з використанням набору графічних елементів. На екрані досить просто виміряти відстань там, куди неможливо відправити людину з рулеткою, а також скласти креслення за результатами сканування. В рамках спеціального програмного забезпечення можна створювати анімацію з обльотом отриманих хмар точок тривимірної моделі. При цьому необхідно враховувати, що величезні масиви даних, що складаються з десятків мільйонів точок, що займають гігабайти на накопичувачах, пред'являють підвищені вимоги до швидкодії комп'ютерів і ємності накопичувачів інформації.
Малюнок 3. «Облік точок» в архітектурі
Однією з областей, найбільш яскраво відкривають можливості лазерного сканера, є архітектура. Сканування незамінне для вирішення завдань збереження пам'яток і предметів історичної цінності [5]. Звичайно, крім лазерного сканування існують і інші методи збереження зображень, наприклад, фотографія або її окремий випадок - стереофото. Однак фотографія не містить тривимірних координат. Стереофотографія, яка зберігає об'ємність зображення, найбільше підходить для візуального сприйняття об'єкта, однак вилучення даних про координатах великої кількості точок з стереопари фотографій пов'язане зі значними трудовитратами. Метод же лазерного сканування дає нам можливість дуже швидко провести зйомку фасаду будівлі і отримати модель історичного об'єкта з деталями розміром до декількох міліметрів!
Малюнок 4. Застосування лазерного сканера в промисловості: а - результат лазерного сканування; б - комп'ютерна модель цеху (з урахуванням модернізації)
Інший приклад застосування лазерного сканування - зйомка складних в технічному відношенні об'єктів [3], особливо, якщо вони давно експлуатувалися, неодноразово піддавалися перебудові, але це не завжди оперативно відбивалося в документації. Буває, що креслення деяких вузлів об'єкта загублені. Буває, що обладнання підлягає модернізації, проте незрозуміло, чи поміститься нова техніка на площах старої. У цих ситуаціях ефективно тривимірне лазерне сканування. Саме воно дозволить відповісти на всі питання. Змоделювавши реальну ситуацію на комп'ютері, можна бути впевненим в успіху майбутньої модернізації (рис. 4). Наприклад, ми можемо імпортувати в програму обробки модель нового обладнання, поєднати її з хмарами точок і побачити всі проблемні ділянки планованої модернізації. По суті справи, ще на етапі проектування можна буде зробити висновок про те, наскільки успішно завершиться модернізація. Ще однією областю використання наземного лазерного сканування є зйомка кар'єрів і відкритих гірничих виробок. Оперативний підрахунок об'ємів грунту - важливе завдання для гірничодобувних підприємств. Вона також успішно вирішується шляхом застосування лазерного сканування.
Перелік областей застосування наземного лазерного сканування можна продовжити [2, 6, 7]. Узагальнюючи, можна сказати, що потреба в даному виді зйомки виникає тоді, коли треба вирішити два завдання: по-перше, необхідно отримати максимально повну інформацію про об'єкти зі складною геометрією, по-друге, швидкість полученіяданних повинна бути дуже висока. Можливість виконання цих завдань одночасно дає певні переваги тривимірного лазерного сканування перед іншими методами зйомки при роботі з геометрично складними об'єктами.
А Я. Фрейдин, ЗАТ Геостройізисканія. Москва