Skanowanie laserowe 3D w TPI jest obecne od kilkunastu lat. Byliśmy świadkami rewolucji jaka zaszła w tej technologii jaką było zaprezentowanie w 2010 roku skanera Faro Focus3D. Pierwsze takie urządzenie, które umożliwiało pomiar z milimetrową dokładnością, a jednocześnie było małe, szybkie, lekkie i mobilne. Dziś skupimy się na jego prawnuczku.
Tak, teraz po 13 latach, mamy już do czynienia z urządzeniami o trzy generacje młodszymi. Mowa o skanerze Faro Focus Premium. Na pierwszy rzut oka wygląda podobnie jak jego przodek, lecz jest w stanie skanować szybciej, dokładniej przy zachowaniu ciągle tych samych małych gabarytów. Przez te kilkanaście lat pojawiły się również nowe typy skanerów 3D. Są nimi np. skanery mobilne, które w przeciwieństwie do stacjonarnych, jak np. Faro Focus skanują cały czas w ruchu.
Pojawiły się też kamery 3D, w których głównym produktem nie jest chmura punktów, lecz zdjęcia 360° tworzące wirtualny spacer. Lecz nie są to same zdjęcia. Razem z nimi otrzymujemy również skan 3D, który pomaga nam uzyskać informację o wymiarach przestrzeni widocznej na zdjęciach.
Skanery 3D - porównanie
Poznaliśmy więc 3 sposoby na skanowanie 3D. Podczas budowy naszej nowej siedziby mieliśmy przy okazji bardzo dobry poligon testowy dla technologii pomiarowych, które mamy w ofercie. Mogliśmy przetestować skanery przy pomiarze zewnątrz, czyli elewacji budynku, ale też wewnątrz, w zróżnicowanym środowisku, ponieważ w budynku obecne są zarówno małe pomieszczenia biurowe, jak i większe, tak jak sala konferencyjna oraz przestrzeń magazynowa. Łączna powierzchnia to około 2000 m2. Jest też to okazja, aby sprawdzić jak można wykorzystać skanery 3D w nowym trendzie w budownictwie, architekturze i przemyśle jakim jest tworzenie cyfrowych bliźniaków budowanych lub istniejących obiektów, które są wykorzystywane jako nośnik przeróżnych informacji.
W trakcie jednej z serii pomiarów zestawiliśmy ze sobą 3 urządzenia: wspomniany wcześniej skaner stacjonarny Faro Focus Premium, kamerę 3D Matterport Pro2 oraz skaner mobilny GeoSLAM ZEB-Horizon wraz z kamerą ZEB-Vision. Na samym początku warto zaznaczyć, że nie są to 3 konkurencyjne rozwiązania, lecz każde działa w inny sposób i dostarcza również różne wyniki.
Skaner Faro Focus Premium
Zacznijmy od skanera stacjonarnego Faro Focus Premium. Cechuje się on milimetrową dokładnością oraz również możliwością uzyskania bardzo gęstej chmury punktów. Zasięg pomiaru w zależności od modelu może dochodzić do 350 metrów. Oprócz tego jest wyposażony w aparat o rozdzielczości 13 MPix, który generuje zdjęcia panoramiczne o bardzo wysokiej jakości i szczegółowości. Może również zostać wyposażony w zewnętrzną kamerę panoramiczną PanoCam, która sprawia, że przy zachowaniu dobrej jakości zdjęć znacznie skraca się czas pomiaru.
Podczas pracy skaner jest zamontowany na statywie i dzięki ruchom obrotowym w pionie i w poziomie jest możliwe zmierzenie praktycznie całego otoczenia wokół urządzenia. Jednak aby zeskanować np. pomieszczenie czy budynek musimy go stawiać w kolejnych miejscach, aby uchwycić całość. Jeden taki pomiar może zajmować od pół minuty do kilku lub nawet kilkunastu minut w zależności od wybranej szczegółowości danych. W omawianym przypadku pomiar zewnątrz i wewnątrz budynku wymagał 82 stanowisk (26 zewnątrz i 56 wewnątrz) i zajął 6 godzin. Skany były wykonane z rozdzielczością 6 mm na 10 metrach od skanera oraz z włączonym trybem HDR, aby uzyskać najlepszą możliwą jakość zdjęć.
W przypadku wykorzystania nowego trybu bardzo szybkiego pomiaru Flash, w którym pomiar z jednego stanowiska zajmuje 28 sekund, szacunkowo pomiar tego budynku zająłby niecałą godzinę.
Podczas skanowania wykorzystaliśmy też możliwość wstępnego dopasowywania skanów podczas pomiaru za pomocą aplikacji Faro Stream. Dzięki temu część opracowania danych, którą normalnie wykonuje się w biurze można było wykonać jeszcze w terenie. W omawianym przypadku opracowanie danych wymagało 3 godzin pracy biurowej. Wynik jaki otrzymujemy to chmura punktów z wiernym odwzorowaniem geometrii i koloru nawet małych detali. Oprócz samego skanu 3D mamy też dostęp do zdjęć panoramicznych wykonanych przez skaner oraz możliwość pomiaru np. wielkości pomieszczenia czy odległości między oknami.
Dane te można również udostępnić w formie wirtualnego spaceru na platformie Faro Webshare. Dzięki temu, osoby, które nie mają doświadczenia z pracy z wynikami skanowania 3D są w stanie płynnie i szybko poruszać się po pozyskanych danych i uzyskiwać potrzebne im informacje.
Kamera Matterport Pro 2
Z kolei kamera Matterport Pro 2 jest to urządzenie stworzone przede wszystkim do generowania wirtualnych spacerów, czyli najważniejszą informacją jest zdjęcie panoramiczne. Ale oprócz tego zdjęcia uzyskujemy też skan 3D zmierzonego obszaru. Kamera ta działa tak samo jak w przypadku skanerów stacjonarnych, czyli jest ustawiana na statywie na kolejnych stanowiskach. Różnica jest w technologii pomiaru. Model Pro2 wykorzystuje kamery na podczerwień, co oznacza, że jego zasięg to kilka metrów. Przez to powinien być używany tylko wewnątrz pomieszczeń, lecz posiada on również funkcję pozyskiwania tylko zdjęć 3D, bez skanowania. Jesteśmy więc w stanie uzupełniać skan wewnątrz za pomocą zdjęć 360° zrobionych na zewnątrz lub też w dużych pomieszczeniach jak hale magazynowe. Od niedawna dostępny jest również model Matterport Pro3, który umożliwia pomiar na zewnątrz dzięki zastosowaniu skanera laserowego zamiast kamer na podczerwień.
W obu przypadkach dokładność pomiaru jest centymetrowa, co może być wystarczające np. w planowaniu przebudowy czy projektowaniu instalacji.
Sam pomiar jest bardzo szybki, ponieważ trwa 20 sekund i w tym czasie pozyskujemy skan 3D oraz przede wszystkim obraz panoramiczny o rozdzielczości do 134 MPix. Pomiar odbywa się za pomocą aplikacji zainstalowanej na telefonie lub tablecie i jest w pełni zautomatyzowany. Operator musi tylko przestawiać urządzenie i uruchamiać pomiar z poziomu aplikacji. Łączenie stanowisk odbywa się automatycznie, a po zakończonym pomiarze dane są przesyłane na platformę Matterport gdzie są przetwarzane do momentu uzyskania gotowego wirtualnego spaceru, po którym jesteśmy w stanie się poruszać, mierzyć np. odległość między oknami lub dodawać istotne informacje w formie tekstowej lub multimedialnej (zdjęcia, filmy, pliki audio) do zebranych danych. Otrzymujemy również widok Dollhouse, który pokazuje całość zeskanowanego obszaru w postaci kolorowej siatki trójkątów mesh. Możliwe jest też pobranie chmury punktów, aby później wykorzystać ją np. do projektowania lub analiz.
W omawianym przypadku zostało wykonanych 72 skanów co zajęło około godziny. Dane były następnie przetwarzane automatycznie na platformie Matterport i po paru godzinach były już gotowe.
GeoSLAM ZEB-Horizon z kamerą ZEB-Vision
Ostatnie urządzenie to skaner mobilny GeoSLAM ZEB-Horizon z kamerą ZEB-Vision. W odróżnieniu od pozostałych urządzeń pomiar odbywa się w ruchu. Skaner może być trzymany w ręku lub też zamontowany do różnych uchwytów, pojazdów lub dronów. Algorytm SLAM łączy dane pochodzące z laserowej głowicy skanującej LiDAR oraz dane o przemieszczaniu się urządzenia zebrane przez jednostkę IMU. Dzięki temu wynikiem jest chmura punktów bez podziału na stanowiska, lecz generowana w sposób ciągły wraz z widoczną trajektorią ruchu skanera. Urządzenie ma 100 m zasięgu oraz dokładność rzędu 1-3 cm.
W omawianym przykładzie użyto również kamery ZEB-Vision, która ma umożliwić uzyskanie chmury punktów w kolorze, ale też wygenerowanie zdjęć panoramicznych na podobieństwo tych w pozostałych urządzeniach. Podczas pomiaru skaner wraz z operatorem powinien poruszać się spokojnym tempem bez nagłych zmian kierunków. Oprócz tego zalecane jest, aby kończyć pomiar w miejscu w którym się go rozpoczęło oraz jeden pomiar nie powinien przekraczać 20 minut. Zeskanowanie całego budynku wewnątrz i zewnątrz zajęło 18 minut. Opracowanie danych, polega na wczytaniu plików i zdefiniowaniu parametrów przetwarzania oraz ewentualnym dopasowaniu ze sobą kolejnych sesji pomiarowych. W tym przypadku zajęło około 3 godziny, gdzie większość czasu zajęło automatyczne przetwarzanie przez oprogramowanie surowych danych do gotowej chmury punktów i nie wymagało to obecności operatora przy komputerze. Wynik jaki otrzymujemy to chmura punktów wraz z trajektorią ruchu skanera oraz opcjonalnie zdjęcia panoramiczne.
Porównanie i zestawienie Faro Focus Premium, Matterport Pro2 i GeoSLAM ZEB-Horizon
Przyszedł czas na zestawienie uzyskanych danych z tych 3 różnych urządzeń. Porównamy je ze względu na kilka kryteriów:
1. Czas pomiaru oraz opracowania danych
| Faro Focus Premium | Matterport Pro2 | GeoSLAM ZEB-Horizon |
Czas pomiaru | 6 godz. | 1 godz. | 20 min. |
Czas opracowania danych/czas pracy opracowującego dane | 3 godz. (2 godz.) | 6 godz. (15 min.) | 3 godz. (30 min.) |
Sumaryczny czas | 9 godz. | 7 godz. | 3,5 godz. |
Z powyższej tabeli wynika, że najbardziej czasochłonna jest praca ze skanerem Faro, z kolei najszybciej uzyskamy dane ze skanera mobilnego GeoSLAM. Z kolei praca z kamerą Matterport jest najbardziej zautomatyzowana i w całym procesie tylko około 20% sumarycznego czasu wymaga uwagi człowieka.
2. Szczegółowość danych 3D
Aby sprawdzić szczegółowość chmur punktów, zrobiliśmy ten sam przekrój przez schody, na których można zauważyć jak odzwierciedlone są ostre zmiany kształtu na przykładzie stopni.
Analizując przekroje można zobaczyć, że w przypadku Faro zarys schodów, ścian, stropu jest ostry i wyraźny, a krawędzie stopni dobrze odzwierciedlone. W przypadku GeoSLAMa zarysy te są lekko zaokrąglone, a na przekroju z danych z Matterporta te zaokrąglenia są większe, lecz dalej możliwy będzie np. pomiar wysokości stopni czy wymiarów klatki schodowej.
3. Jakość zdjęć
Warto też porównać dane ze skanerów pod kątem jakości zdjęć, ponieważ bardzo często w późniejszej pracy nie wykorzystuje się tylko chmurę punktów, ale też zdjęcia, co pomaga np. w identyfikacji zeskanowanych obiektów. Na pokazanym fragmencie hali można zobaczyć, że najbardziej szczegółowe zdjęcia robi Faro Focus, zaraz za nim jest jakość zdjęć z Matterporta. Z kolei w przypadku GeoSLAM przez to że kamera jest cały czas w ruchu obraz jest gorszej jakości, lecz pozwala na identyfikację większości obiektów znajdujących się na zdjęciach.
Podsumowanie i wnioski
Przyszedł czas na wnioski. Ciężko traktować powyższe rozwiązania jako równorzędne. Każde z nich zostało stworzone z konkretną myślą.
Skaner Faro Focus
Skaner Faro Focus jest najbardziej uniwersalny. Można z nim pracować wewnątrz jak i na zewnątrz oraz dowolnie dostosowywać szczegółowość i jakość zbieranych danych, co ma wpływ również na szybkość pomiaru i opracowania danych. Decydując się na skanowanie z mniejszą rozdzielczością oraz zewnętrzną panoramiczną kamerą będziemy w stanie zeskanować ten sam obiekt, nie w kilka godzin, lecz nawet w godzinę. Jednak nadal jest to narzędzie wymagające od operatora przyłożenia dużej uwagi na to gdzie ustawia skaner i jakie parametry skanowania wykorzystuje. Z kolei od osoby opracowującej dane wymaga pracy w oprogramowaniu przy przetwarzaniu i dopasowywaniu skanów. Jednak dzięki temu jesteśmy w stanie uzyskać dane o bardzo wysokiej jakości, dokładności i szczegółowości. W dobie „cyfrowych bliźniaków” budynków czy obiektów przemysłowych rozwiązanie to sprawdzi się przy tworzeniu dokładnych modeli instalacji, konstrukcji lub detali architektonicznych. Można je również wykorzystać do kontroli jakości i analiz takich jak np. sprawdzenie płaskości posadzek czy pionowości ścian.
Kamera 3D Matterport
W przypadku kamer 3D Matterport mamy do czynienia z rozwiązaniem bardzo prostym, zautomatyzowanym, ale przede wszystkim skupionym na wyniku jakim jest wirtualny spacer. Widać więc położony duży nacisk na jakość i wykorzystanie zdjęć 360 stopni, a sam skan 3D jest dodatkiem, który do obrazów dokłada informację przestrzenną i możliwość sprawdzania wymiarów z dokładnością centymetrową. Cały proces przetwarzania i udostępniania danych odbywa się w chmurze, na platformie Matterport, co sprawia że praca jaką trzeba wnieść w opracowanie danych jest minimalna. Ponadto udostępnienie tych danych w formie wirtualnego spaceru sprawia, że każdy, niezależnie od doświadczenia, jest w stanie pracować z tym narzędziem i wykorzystywać do zamieszczania dodatkowych informacji o zmierzonym obiekcie jak np. specyfikacje maszyn na hali produkcyjnej czy opisu instalacji elektrycznej.
Skaner mobilny GeoSLAM ZEB-Horizon
Ostatnie narzędzie, czyli skaner mobilny GeoSLAM ZEB-Horizon jest nieoceniony w szybkim pomiarze dużych przestrzeni, nie tylko budynków, ale też obszarów trudnodostępnych, gdzie trudna byłaby praca z urządzeniem stacjonarnym. Oprócz tego przetwarzanie danych też jest w dużej mierze zautomatyzowane. Rozwiązanie to sprawdzi się w sytuacjach, kiedy w krótkim czasie trzeba zmierzyć duże powierzchnie, aby uzyskać wyniki z dokładnością centymetrową. Tak szybki pomiar może też być zastosowany w częstym pomiarze tego samego obiektu, aby dokumentować przebieg budowy lub remontu i śledzić postęp tego procesu oraz zgodność z modelem BIM lub dokumentacją 2D.
Podsumowując każde z przedstawionych i przetestowanych 3 rozwiązań można wykorzystywać na placu nowoczesnej budowy, która przeprowadzana jest zgodnie z technologią BIM, dzięki której możliwe jest śledzenie postępu budowy, weryfikacja poprawności wykonania, czy też uzupełnianie modelu BIM informację nie tylko geometryczną, ale też całą gamą informacji np. na temat instalacji, wyposażenia, czy też ich wieku lub stanu. Należy pamiętać, że geometria zawarta w modelu BIM, która może być wygenerowana z pomocą skanera 3D to tylko nośnik dla pozostałych, nie mniej istotnych informacji.