Лазерное сканирование 2014 / Литература Лекции / Середович В.А., Комиссаров А.В., Комиссаров Д.В., Широкова Т.А. Наземное лазерное сканирование. 2009

Автоматический способ моделирования NURBS-поверхности не требует построения сетки в виде сплайнов. Для его реализации необходимо выполнить операции в следующей последовательности:

1)создать копию полигональной модели;

2)оригинал сделать невидимым, а копию упростить, т. е. уменьшить количество треугольников, из которых состоит полигональная модель. Для этого

используется инструмент Tool Decimate High Quality модуля Polygon. Опыт работы с ПП RapidForm показывает, что количество треугольников надо уменьшать постепенно, в несколько итераций. Поскольку стороны полученных треугольников в дальнейшем используются для построения сетки кривых линий, то количество треугольников будет влиять на качество и время, необходимое для построения NURBS-поверхности;

3) активировать функцию Surface Create Auto Surfacing. При этом сначала необходимо выбрать исходную полигональную поверхность, затем преобразованную в результате уменьшения количества треугольников, далее задать количество контрольных точек и параметры построения модели. Результат этих операций будет представлять собой несколько NURBSповерхностей, количество которых зависит от числа Face на редактируемой копии полигональной модели. На рис. 111 показано окно создания NURBSповерхности автоматическим способом, на рис. 112 – результат построения.

поверхность согласно критериям, выбранным пользователем (например, относительно контрольной точки);

Curve Edit Transform;

Surface Tool Join – объединить NURBS-поверхности. При этом надо учитывать, что «сшить» можно только те соседние участки, у которых количество контрольных точек совпадает;

остальные инструменты аналогичны реализованным в модулях Polygon

и Curve.

3.7. Функциональные возможности программного продукта PolyWorks

При обработке данных лазерного сканирования трудоемкость и оперативность получения качественного результата в первую очередь зависят от используемого программного обеспечения. Мощным ПП для этих целей является программный комплекс PolyWorks канадской компании InnovMetric Software Inc [139]. Он включает в себя полный набор инструментов, необходимых для решения задач промышленного и гражданского строительства, реставрации, архитектуры, геодезии, топографии и др.

Основные достоинства программного комплекса PolyWorks [140–143]:

программный пакет оптимизирован для обработки данных от сканирующих систем всех известных производителей наземных лазерных сканеров;

возможность импорта в программный пакет PolyWorks большого объема данных;

многообразие способов объединения и уравнивания сканов; наличие высокопроизводительного и универсального инструмента для

построения цифровых моделей объектов в виде TIN-поверхностей;

реализованы функции по созданию и редактированию NURBSповерхностей;

наличие широкого набора инструментальных средств для анализа данных лазерного сканирования;

процедуры обработки данных могут быть автоматизированы путем добавления собственных макросов;

простая интеграция с программными продуктами других производителей, благодаря наличию различных форматов импорта/экспорта;

пространственная визуализация данных наземного лазерного сканирования и др.

Программный комплекс PolyWorks является проектно-ориентированным программным обеспечением. Вся информация сохраняется внутри единой директории, содержащей все данные о сканах, в том числе калиброванные цифровые снимки, элементы внешнего ориентирования, результаты, полученные при обработке сканерных данных, и др. [142, 143].

ПП PolyWorks состоит из модулей, представленных на рис. 113.

Модуль IMAlign. Программный комплекс PolyWorks позволяет импортировать данные в формате всех программных продуктов, разработанных различными компаниями-производителями наземного лазерного сканирующего оборудования. Данные импортируются с заданной плотностью (задается шаг

выборки точек), что позволяет варьировать их объем в зависимости от решаемых задач.

На этапе загрузки сканерных данных могут быть применены различные фильтры для повышения качества сканов.

При импорте загружаются не только пространственные координаты точек, но и данные об интенсивности лазерных отражений (или реальном цвете объекта съемки) и нормалях к снимаемым поверхностям объекта. Эта информация существенно упрощает объединение сканов в единую точечную модель.

Рис. 113. Структура программного комплекса PolyWorks

При работе в модуле IMAlign на первом этапе объединения сканов производится предварительное их совмещение. Это может быть достигнуто двумя методами:

при помощи плоских или объемных марок, расположенных в области перекрытия сканов. Эти марки однозначно распознаются на сканах и аппроксимируются примитивами, соответствующими их геометрической форме. После указания одних и тех же марок на объединяемых сканах с высокой точностью создается единая точечная модель;

полуавтоматический метод. В этом случае не требуется выполнять совмещение сканов с высокой точностью, достаточно приблизительно указать области их пересечения. Далее программа в автоматическом режиме производит совместное уравнивание всех сканов. В этом процессе используются уникальные алгоритмы, анализирующие геометрические свойства поверхности, отображенной на сканах, что позволяет выполнить подориентирование сканов со средней квадратической ошибкой единицы веса, сопоставимой с погрешностью сингулярного измерения. Полуавтоматический метод позволяет исключить основную ошибку объединения сканов, вызванную погрешностью идентификации характерных точек.

Процесс объединения сканов в единую точечную модель в программном продукте PolyWorks представлен на рис. 114.

Рис. 114. Объединение сканов в единую точечную модель

Оценка точности объединения сканов может быть выполнена в двух вариантах:

вычисляются статистические характеристики и строятся гистограммы ошибок объединения сканов (рис. 115);

создаются цветовая и масштабная карты расхождений положения соответственных точек в областях перекрытия сканов.

Рис. 115. Результаты оценки точности совместного уравнивания сканов

В модуле IMAlign осуществляется внешнее ориентирование сканов по координатам опорных точек, в качестве которых используются плоские или объемные специальные марки (рис. 116), характерные точки объекта съемки. Координаты опорных точек могут быть получены любым традиционным геодезическим методом.

Рис. 116. Пример отображения опорных точек на скане

При объединении множества сканов всегда присутствуют области перекрытия, в которых информация дублируется. Программный комплекс PolyWorks позволяет исключить повторяющиеся точки в области перекрытия, высвобождая значительные объемы памяти.

В программном комплексе PolyWorks предусмотрен экспорт цифровых данных во многие форматы.

Модуль IMMerge. Данный модуль предназначен для создания триангуляционных моделей объектов по данным наземного лазерного сканирования (рис. 117). Он позволяет строить TIN-поверхности любой сложности (рис. 118), в интерактивном режиме определять геометрические параметры создаваемой модели. Для этого задаются: шаг создания TINповерхности и максимальная длина ребра; различные параметры сглаживания, точностные характеристики прибора, которым производилась сканерная съемка. Генерация сложной полигональной модели возможна не только на одном компьютере, но и в кластерном режиме, при котором используется неограниченное количество ЭВМ, объединенных в сеть. Дополнительные лицензии для этого не требуются.

Рис. 120. Заполнение «дырок» в триангуляционной поверхности

редактирование полигональной модели путем триангулирования с заданной плотностью по созданной поверхности;

выделение и выравнивание краев модели, редактирование ее плотности в определенной области, удаление и добавление вершин триангуляционной сети и т. д., вплоть до редактирования отдельно взятого треугольника в полигональной сети;

создание кривых в виде сплайнов по полигональной модели объекта с использованием различных механизмов и редактирование кривых;

построение NURBS-поверхностей с помощью сплайнов и редактирование этих поверхностей.

В модуле IMEdit реализованы инструменты для создания сечений как вручную, так и автоматически с любым шагом по заданному направлению (рис. 121). Сечения могут быть экспортированы в различные CAD-продукты.

Рис. 121. Построение сечений трехмерной модели объекта с заданным шагом

В модуле IMEdit предусмотрено множество способов создания кривых

(рис. 122):

методом интерполяции. В этом случае сплайны проходят через точки, указанные оператором;

методом аппроксимации, когда программа для построения сплайнов находит оптимальное решение по полученным сечениям точечной или векторной трехмерной модели;

автоматически создается сетка кривых по векторной трехмерной модели с заданным шагом.

Рис. 122. Создание кривых и NURBS-поверхности в ПП PolyWoks: а – кривые; б – сетки кривых; в – NURBSповерхности

NURBS-поверхность может быть экспортирована в различные конструкторские программы для ее анализа или редактирования.

В модуле IMEdit имеются разнообразные функции для выполнения измерений линейных и угловых величин по модели, определения объемов и площадей поверхностей. Модели, полученные в данном модуле, могут быть экспортированы в другие модули программы для анализа или в различные конструкторские и CAD-системы.

Модуль IMEdit позволяет полностью подготовить модель объекта к дальнейшему прототипированию или составить STL-файл для производства пресс-формы и последующего литья.

Модуль IMInspekt. Данный модуль предназначен, в основном, для анализа и редактирования сканов и создания отчетов.

Модуль IMInspeсt позволяет:

производить вписывание в массив точек геометрических примитивов (окружности, конуса, цилиндра, плоскости, точки, полилинии, сферы и вектора) (рис. 123);

извлекать из данных характерные элементы в виде полилиний и производить их дальнейшее редактирование;

в автоматическом режиме извлекать такие элементы, как углы, грани, осевые линии проводов электропередач и труб;

производить профилирование, создание произвольных и заданных сечений;

выполнить все виды линейных и угловых измерений, включая измерение площадей и объемов (рис. 124);

производить детальный сравнительный статистический анализ результатов лазерного сканирования совместно с данными, полученными геодезическими методами, а также формировать отчеты о выполненном анализе

(рис. 125);

Рис. 125. Отчет в виде карты динамики оползней

генерировать детальные отчеты сравниваемых данных в форматах XLS, HTML;

создавать фото- и видеоотчеты; экспортировать массив точек, трехмерную векторную модель,

примитивы, сечения, кривые, поверхности во многих форматах.

Модуль IMCompress. Модуль предназначен для уменьшения «веса» трехмерной векторной модели (рис. 126) с целью дальнейшего удобства работы с ней.