Leica RTC360: SLAM a földi lézerszkennelésben

Tanulmány

A Földi Lézerszkennelés (TLS – Terrestrial Laser Scanning) az elmúlt években meghatározó technológiává vált, köszönhetően többek közt annak, hogy a technológia változatos területeken, igen hatékonyan alkalmazható. A folyamatos fejlődésének köszönhetően a lézerszkennerek egyre könnyebben kezelhetővé, gyorsabbá és pontosabbá váltak, ami összességében hatékonyabb adatgyűjtést tesz lehetővé mint valaha. A szken adatok regisztrációja, azaz a különálló pontfelhők egyesítése, azonban továbbra is egy olyan kérdés, ami nehézséget okoz a legtöbb potenciális felhasználó számára.

Az egyre hatékonyabb terepi adatgyűjtés ellenére a regisztráció (utófeldolgozás) akár egy teljes irodai munkanapot is igénybe vehet. A Leica RTC360 lézerszkenner eszköz forradalmi megoldást kínál erre a problémára, a regisztrációs folyamat teljes automatizálásával és a közvetlenül a munkaterületen is felhasználható eredmények előállításának lehetőségével. A megoldás középpontjában a Egyidejű Helymeghatározás és Térképezés (SLAM – Simultaneous Localization and Mapping) technológia áll, ami integráltan áll rendelkezésre az RTC360 lézerszkennerek ún. Vizuális Inerciális Rendszerében (VIS – Visual Inertial System).

Ez a cikk rövid áttekintést ad az RTC360 megoldásról, és részletesen bemutatja a VIS szenzorok működését.

Leica RTC360 3D valóságrögzítő megoldás

A Leica Geosystems 2018 júniusában mutatta be az RTC360 3D lézerszkennert. Ez a magasan automatizált, intuitív eszköz a maximális termelékenység elérésére lett tervezve.

A megoldás a következő egyedülálló funkciókat foglalja magába:

• Nagy felbontású szkenek rögzítése, beleértve a magas dinamikatartományú (HDR) képek elkészítését is, kevesebb mint két perc alatt
• A rögzített szken adatok kiegészítése hozzáadott információval (fénykép, videó, szöveg, stb.)
• Az álláspontok közti elmozdulások automatikus rögzítése, a szkenek elő-regisztrálásához, manuális közbeavatkozás nélkül, a terepen
• Adatok automatikus utófeldolgozása a Cyclone REGISTER 360 szoftverrel

Leica RTC360 “Smart Regisztráció” (SmartReg) munkafolyamat

Az RTC360 megoldás egyik kulcs jellemzője, hogy képes a szkenek automatikus elő-regisztrálására közvetlenül a munkaterületen, így az eredmények a Cyclone FIELD 360 mobil alkalmazás segítségével már azelőtt megtekinthetők, hogy sor kerülne a végleges regisztráció elvégzésére a Cyclone REGISTER 360 irodai szoftverben.

Ellentétben a legtöbb szkenner megoldással, ahol két egymást követő szken két, nagyjából véletlenszerű helyi koordináta rendszerben kerül rögzítésre és egy komplex regisztrációs folyamatra van szükség a két véletlenszerű rendszer közös koordináta rendszerbe transzformálásához, az RTC360 esetén a regisztrációs folyamat automatikusan történik.

A folyamat az alábbi ábrán tekinthető át. Egy hagyományos szkennelési rendszer két egymást követő szkennelésének két tipikus eredménye látható a bal oldalon, míg az RTC360-ból származó eredményeket a jobb oldali kép szemlélteti, ahol a két szken automatikusan a helyes relatív pozícióban és tájolással van ábrázolva, rögtön az adatrögzítést követően.

A SmartReg munkafolyamat az RTC360 lézer szkenner azon képességén alapul, hogy függetlenül és automatikusan meg tudja határozni az aktuális pozícióját és tájolását a legutolsó állásponthoz viszonyítva. Ezt egy több szenzoros rendszer valósítja meg: a „Vizuális Inerciális Rendszer „(VIS).

Vizuális Inerciális Rendszer (VIS)

A Vizuális Inerciális Rendszer (VIS) feladata a relatív pozíció és tájolás meghatározása a térben, a lézerszkenner két egymást követő álláspontja között. Ezen  információ birtokában, a második állásponton mért pontfelhő úgy kerül rögzítésre, hogy illeszkedjen az első ponton szkennelt pontfelhőhöz, elvégezve ezáltal egy automatikus elő-regisztrációt, és megalkotva a két pontfelhő geometriailag helyes kombinációját. Amellett, hogy ez a megoldás elérhetővé teszi az egyesített  pontfelhőt és így az addig rögzített állapotot a terepen, az elő-regisztráció kezdő értékként is szolgál a nagy pontosságú regisztráció elvégzéshez később az irodában.

A VIS funkció az Egyidejű Helymeghatározás és Térképezés (SLAM) elvén alapul. A SLAM különböző szenzor adatokat egyesít egy Kálmánszűrőben, ahol a szenzorok típusa és száma a módszertől függően eltérő lehet. A VIS a „Vizuális SLAM” módszerek közé tartozik, tehát elsősorban képfeldolgozási módszereken és a jellemző pontok felismerésén, nyomon követésén alapul.

Szenzorok

A VIS magába foglal 5 kamerát és egy Inerciális Mérési Egységet (IMU). A kamerák elhelyezését úgy választották meg, hogy a lézerszkenner teljes környezete le  legyen fedve. Az öt kamera közül négy a lézerszkenner sarkaiban helyezkedik el, míg az ötödik pedig a szkenner tetején került elhelyezésre, és a zenitet kémleli. Az IMU a lézerszkenner belsejében kapott helyet.

Mérési folyamat

A SLAM folyamatosan, a hátrametszés módszerével határoz meg új pozíciót a lézerszkenner hat szabadsági foka és a  térképről vett 3D pontok alapján (helymeghatározás).

A térkép inicializálásához kezdésként a 3D pontok kerülnek kiválasztásra az első szkenről. Ezeknek optikailag jól látható pontoknak kell lenniük, melyek megfelelően kontrasztosak a képeken is (pl. adott objektumok sarkai vagy élei). A kameraképeken látható helyzetük változása a szkenner mozgása közben jól meghatározható egy objektum követő eszköz segítségével. Az alábbi ábra az öt VIS kamerával történő objektum érzékelést szemlélteti (jobbra lent egy referencia kép található, mely egy színes kamerával készült).

Az inicializálás után számos 3D pont található a kezdő képeken, amelyek pozíciója a következő képeken az objektum követés segítségével meghatározható. Ha a szkenner elmozdul, az új pozíciója a 3D pontok alapján egy térbeli hátrametszés segítségével kiszámítható.

A mozgás során változik, hogy a felhasznált jellemző pontok közül melyek lesznek láthatók a kamera képeken. Ezért a képadat folyamatosan elemzés alatt áll, mely során az algoritmus új, jellemző objektumokat keres, amelyek később bekerülhetnek a jellemző pontok közé. Amint egy új jellemző pont legalább két pozícióból megfigyelhető, a megfelelő 3D pont egy előmetszés segítségével meghatározásra kerül és hozzá lesz adva a 3D ponttérképhez. Ennek az állandó bővítésnek az a célja, hogy folyamatosan biztosítva legyen elegendő számú 3D pont az új műszerpozíciók meghatározásához.

A kameraadatok kiértékelésével párhuzamosan az IMU rögzíti a gyorsulás és a forgási sebesség adatokat is. Ezek a mérések egyesítésre kerülnek képkiértékelésből származó pozíciókkal egy Kálmán-szűrőben. A még pontosabb predikció az IMU adataiból és a képfeldolgozás eredményeiből származó javítások alkalmazásával kerül kiszámításra.

Az RTC360 SmartReg középpontjában tehát a szkenner azon képessége áll, hogy képes meghatározni a relatív helyét és térbeli tájolását az egyedülálló VIS megoldás segítségével. Mindez teljesen automatikusan történik, anélkül, hogy a felhasználónak bármilyen folyamatot el kellene indítania, vagy a szkenner működtetése közben bármilyen speciális szabályt kellene alkalmaznia.

A VIS mérési alapelve a Vizuális SLAM módszeren alapul, amely során az inicializálási lépés után a kamerák és a képfeldolgozó algoritmusok segítségével a környezet természetes jellemzőit folyamatosan észleljük és nyomon követjük, és ezekből becsüljük meg a relatív pozíciókat. A rendszer fejlesztése során elvégzett tesztek azt mutatják, hogy az nagy robusztusságú eredményeket hoz, amelyek elég pontosak a regisztrációs folyamat teljes automatizálásához.