اسکنر لیزری چیست؟

اسکنر لیزری در واقع یک Total Station روباتیک است كه به همراه دوربین فتوگرامتری بدون نیاز به رفلكتور می تواند با سرعتی بالا و باور نكردنی نقاط محیط اطراف خود را برداشت نموده و توسط كامپیوتر هدایت شود. میدان دید اسكنر به دلیل عدم استفاده از رفلكتور دقیقا مانند چشم انسان می باشد. بدین معنی كه اگر انسان به جای لیزراسکنر روی ایستگاه مربوطه ایستاده، هر چیزی را كه انسان قادر به دیدن آن است توسط اسكنر برداشت می شود.

 

تکنولوژی اسکن سه بعدی و یا رقومی کردن آبجکت های فیزیکی از سال های ۱۹۸۰ در دسترس است. از زمان توسعه نسل اول لیزر اسکنرهای زمینی، این تکنولوژی در طی توسعه پیوسته محصولات دستخوش تغییراتی شده و در بسیاری از زمینه های نقشه برداری رشد و توسعه پیدا کرد.

کاربرد لیزر اسکن می تواند از نمایش یک سرتاسر یک سایت تاریخی به وسیله لیدار هوایی تا آنالیز دقیق و با دقت زیر میلیمتر یک شئ باستانی با استفاده از اسکنرهای برد کوتاه مبتنی بر مثلث بندی را شامل شود. امروزه اسکنر ها به طور گسترده ای در برداشت و نقشه برداری معماری، باستان شناسی و زیست محیطی مورد استفاده قرار می گیرند. با قابلیت ضبط خودکار داده ها، این ابزار چشم اندازی جدید را در نقشه برداری و برآوردن نیازهای این علم به وجود آورده است.

لیزر اسکنینگ مرکب از جمع آوری و گرفتن داده ها با سرعت بالا از سطوح پیچیده و محیط های خارج از دسترسی ما  به صورت کاملا خودکار می باشد. لیزر اسکنرها در واقع همان توتال استیشن های سابق هستند. این ابزار میدان دیدی شبیه به چشم انسان دارند. منشور نیاز ندارند. برداشت اطلاعات را با سرعت بالایی انجام می دهند. قابلیت این را دارند که با رایانه کنترل شوند. همچنین قابلیت اتصال به GPS را دارند.

این ابزارها به عنوان فن­آوری نسبتاً جدید در زمینه نقشه برداری، روز­ به روز در حال توسعه و پیشرفت بوده و برای جمع آوری اطلاعات زمینی به کار می روند. این سیستم ها اطلاعات را به صورت آنی (Real-Time) و با مقیاس حقیقی جمع آوری می کنند. این خصوصیت در مورد مدل­سازی اشیاء پیچیده بسیار حائز اهمیت است، از این جهت که می­توان تمام جزئیات شیء مورد نظر را به نحو احسن برداشت نمود.

اساس کار اسکنر لیزری نیز مانند دوربین های نقشه برداری اندازه گیری دو عنصر طول و زاویه است.

لیزر اسکنرهای سه بعدی امروزه پیشرفته ترین فناوری موجود را برای اندازه گیری و برداشت اشیاء ارائه می دهند. در مقایسه با فتوگرامتری، لیزر اسکن های سه بعدی مستقیما تعداد زیادی نقطه را تولید می کنند. مدل ابر نقطه که به وسیله لیزر اسکنرهای سه بعدی تولید می شود، مجموعه غنی اطلاعاتی و همچنین یک نقطه شروع برای بسیاری از فعالیت­ها است.

ابر نقطه به وجود آمده می تواند برای ترسیم نقشه – با استفاده از مثلث بندی نقاط – و همچنین تولید مدل سه بعدی سطوح مورد استفاده قرار گیرد. این مدل به طور کلی در بسیاری از برنامه های کاربردی سه بعدی قابل استفاده نیست، بنابراین معمولا آن را از طریق یک فرآیند مهندسی معکوس به مدل مش مثلثی و یا مدل­های CAD تبدیل می کنند به طوری این مدل ها بتوانند برای اهداف مختلفی مورد استفاده قرار گیرند.

در واقع، لیزر اسکنرها می توانند بسیاری از نیازهای کاربرانی را که در حفاظت سایت های تاریخی درگیر هستند؛ پوشش دهد. زیرا این ابزار می توانند به طور مستقیم برای مدل سازی سه بعدی و اندازه گیری نقطه به نقطه  استفاده شده و پاسخگوی کاربردهای آینده نیز باشند؛ گویی که کاربر به طور فیزیکی در سایت حضور داشته است.

 

هدف استفاده از لیزر اسکنر منحصرا ایجاد ابر نقطه ای از عارضه مورد نظر نمی باشد؛ بلکه ویرایش اطلاعات جمع آوری شده، مدل سازی شیء مورد نظر و همچنین انجام آنالیزها و استخراج اطلاعات هندسی را نیز شامل می شود.

دسته بندی اسکنرهای لیزری

لیزر اسکنر­های زمینی با در نظر گرفتن نوع ساختمان آن ها، سیستم اندازه گیری آن ها، دقت و برد مسافت متغیر هستند. به طور کلی یک سیستم لیزری سه بعدی از اجزای اندازه گیری زاویه و طول تشکیل شده است.

فرآیند کار در لیزر اسکنرها عموما از سه مرحله تشکیل شده می شود:

  • ارسال پرتوهای لیزر اسکن از طریق آینه­های متحرک یا دوران کننده
  • بازتاب پرتوهای لیزر از سطح عارضه
  • دریافت و ثبت پرتوهای بازگشتی

 

انواع لیزر اسکنرها بر اساس روش اندازه گیری فاصله

سیستم اندازه گیری  فاصله به برد (فاصله) و دقت حاصله از سیستم بستگی دارد. به منظور تولید یک مدل ابر نقطه دقیق از تمامی سطوح جسم، باید دو عامل مهم دقت بعد و وضوح مکانی لیزر اسکن مد نظر قرار گیرند.

در این راستا سه تکنولوژی برای اندازه گیری فاصله با لیزر اسکنرها مورد استفاده قرار می گیرد.

  • محاسبه زمان رفت و برگشت موج (time of flight):

امروزه متداول ترین نوع سیستم اندازه گیری برای لیزر اسکنرها، اصل زمان پرواز می باشد. این سنسورها در مسافت های طولانی­تری کار می­کنند ( به عنوان مثال ۱۰۰-۲ متر)، اما دقت کمتری نسبت به سیستم­های مثلث­بندی دارند. سنسورهای تاخیر زمانی برای اشیائ بزرگ، به عنوان مثال سایت­های باستانی و بناهای معماری استفاده می شوند. این سیستم زمانی را که نور نیاز دارد که منبع لیزر منتشر شده، به جسم رسیده و بازگردد اندازه گیری می­کند. با در نظر گرفتن سرعت ثابت نور، فاصله تا جسم محاسبه می شود.

  • روش اندازه گیری اختلاف فاز (phase comparison)

در کنار اصل زمان پرواز روش فاز نیز دومین روش معمول برای بردها و فواصل میانی می باشد. برد اندازه گیری در این روش به ۱۰۰ متر محدود می شود. در این حالت می توان به دقت چند میلی متر در اندازه گیری فواصل دست یافت.

  • مثلث بندی (triangulation)

سیستم های مبتنی بر مثلث بندی در مسافت های کوتاه کار می کنند (تا ۵۰۰ سانتیمتر) و می توانند به دقت بالایی برسند. روش اندازه گیری فاصله در این نوع لیزر اسکنرها، مثلث بندی اپتیکی می باشد. با این فن می توان به دقت هایی در حدود چند میکرومتر دست یافت. شئ مورد نظر که به وسیله یک دوربین CCD دیده می شود، با یک پرتو نور مورد هدف قرار می گیرد. یک مثلث با استفاده از نقطه منبع نور، نقطه نوری روی سطح آبجکت و نقطه تصویر شده در دوربین CCD تشکیل می شود. لیزر اسکنر­هایی با برد کوتاه در زمینه های بسیار متفاوتی کاربرد دارند؛ اما اصلی ترین کاربرد آن ها در مستند­سازی بنا­ها و اشیاء تاریخی است.

Optical Triangulation = مثلث بندی اپتیکی

در اینجا لازم است به این نکته اشاره شود که اسکنرهایی که بر پایه مثلث بندی کاری می کنند بیشتر برای برداشت سوژه های کوچک و اسکنرهای Time Of Flight بیشتر برای سوژه ها بزرگ مفید هستند.

انواع لیزر اسکنرها بر اساس زاویه دید

لیزر اسکنر­های سه بعدی بر اساس زاویه دید طبقه بندی متفاوتی دارند. عموما دو نوع زاویه میدان دید در این زمینه شناخته شده است:

  • میدان دید دوربینی
  • میدان دید ۳۶۰ درجه یا پانوراما

زاویه میدان دید دوربینی اشاره بر میدان دید با زاویه محدودی دارد که در دوربین عکس­برداری نیز استفاده می شود. لیزر اسکنر­هایی که دارای میدان دید پانوراما هستند (مانند Riegl  ) قابلیت چرخش ۳۶۰ درجه و برداشت کامل محیط اطراف را دارند. با استفاده از لیزر اسکنر­های پانوراما می توان برداشت های مناسبی را از داخل اتاق ها، تونل ها و … تهیه کرد. به عنوان مثال این نوع از لیزر اسکنرها قادر هستند که تمام فضای داخل اتاق را مانند کره ای برداشت کنند.

دستگاه های دید پانوراما به این دلیل که به تعداد ایستگاه های استقرار کمتر نیاز دارند و ثبت و برداشت اطلاعات راحت تر و دقیق تر صورت می­پذیرد، نسبت به دستگاه های دید دوربینی ارجحیت دارند.

مراحل تهیه مدل سه بعدی از داده های لیزر اسکنر

تهیه مدل سه بعدی توسط اسکنر لیزری سه بعدی دارای سه مرحله اصلی می باشد.

برداشت زمینی

در این مرحله با استقرار دستگاه در محل های مورد نظر نسبت به جمع آوری اطلاعات (برداشت نقاط) اقدام می شود. بدین منظور، لازم است شبکه نقاط برداشت به گونه ای طراحی شود که هر قسمت از بنا، حداقل از یک استقرار قابل مشاهده باشد. همچنین لازم است به منظور امکان یکپارچه سازی برداشت ها از استقرارهای مختلف، در هر استقرار، عوارضی از دیگر استقرارها نیز مشاهده و برداشت شوند. (این عوارض می توانند به صورت مصنوعی و با استفاده از تارگت در محل مناسب ایجاد شوند.)

یکپارچه سازی و ویرایش

پس از تکمیل عملیات برداشت، مجموعه ای از ابرهای نقاط به صورت منفرد به دست می آید که لازم است برای داشتن ابر نقاط یکپارچه از کل یک بنا، این ابرهای نقاط با یکدیگر تلفیق شوند. برای تلفیق دو به دوی ابرهای نقاط، یکی از ابرهای نقاط به عنوان پایه در نظر گرفته می شود و ابر نقطه استقرار دیگر به آن متصل می شود. اتصال دو ابر نقطه به یکدیگر بدون نیاز به اطلاعات تکمیلی (مانند مختصات دو استقرار) قابل انجام است و صرفاً با داشتن حداقل سه نقطه مشترک (بر روی عوارض برداشت شده یا تارگت) قابل انجام است. به عبارتی سیستم مختصات ابرنقطه مبنا به عنوان سیستم مختصات مبنا انتخاب می شود و دومین ابر نقطه با نقاط مشترک به سیستم مختصات ابرنقطه مبنا برده می شود. این فرایند با توجه به قابلیت نرم افزار مورد استفاده، می تواند برای دو یا چند ابرنقطه مختلف به طور همزمان انجام شود. همچنین در صورتی که موقعیت استقرارها در یک سیستم مختصات مشخص باشد، می توان بدون نقاط مشترک برداشت شده نیز یکپارچه سازی را انجام داد. پس از تلفیق اطلاعات بایستی ویرایش شوند. ویرایش دارای دو بخش عمده می باشد: حذف اطلاعات اضافه و انتقال اطلاعات به سیستم مختصات مورد نیاز. در برداشت عوارض توسط دستگاه اسکنر لیزری، با توجه به برداشت اتوماتیک نقاط، تقریباً در تمامی برداشتها اطلاعات اضافه نیز برداشت می شوند که علاوه بر افزایش حجم داده ها، در مواردی ممکن است باعث ایجاد خطا در زمان ساخت سطوح ایجاد نماید. بنابراین لازم است قبل از هرگونه پردازشی برروی داده ها، این نقاط اضافه حذف شوند. با توجه به اینکه برداشت در سیستم مختصات داخلی دستگاه انجام می شود، در مرحله ویرایش اطلاعات بایستی تبدیل سیستم مختصات انجام شود. برای این کار نیز نیازی به دانستن مختصات ایستگاههای برداشت نمی باشد و صرفاً با دانستن مختصات تعدادی از نقاط (حداقل دو نقطه) عمل تبدیل سیستم مختصات انجام می شود.

پس از کامل شدن فرآیند اسکن، یک گام مهم پیش از تولید مدل سه بعدی آبجکت باقی می ماند و آن تولید شبکه است. فرایند اسکن کردن یک مدل ابر نقطه متراکم و نا­منظم است. عملیات ایجاد یک مدل از این حجم نقاط شبیه به پازل پیچیده­ای از “نقاط را به هم متصل کن” که در آن نقاط باید برای خلق یک شبکه چند ضلعی به یکیدیگر متصل شوند. بعد از انجام این کار، شبکه چند ضلعی نقص های متعددی همچون مثلث های گم شده  و یا سوراخ دارد. علی رغم اسکنیگ کامل و دقیق، داده ها ممکن است از دست بروند. این مسئله به دلیل حرکت خطی مستقیم اشعه لیزر و عدم توانایی آن در دست یابی به منطق برش یافته از آبجکت اجتناب نا­پذیر است. اطلاعات بافت و رنگ آبجکت اسکن شده باید در فرآیندی جداگانه به مدل سه بعدی اعمال شود. به این منظور باید تصاویر رنگی دیجیتال را تهیه کرده و به سطح مدل سه بعدی اختصاص داد.

 تهیه خروجی های مورد نیاز

پس از برداشت نقاط با تراکم مورد نیاز و یکپارچه سازی ابرهای نقاط ، مدل سه بعدی مجازی بنا کاملاً در دسترس استو می توان کلیه مدل سازی ها و اندازه گیری های مورد نیاز را بر روی آن ها انجام داد. این مدلسازی ها می توانند شامل مثلث بندی و برازش رویه به سطوح، تهیه منحنی میزان، تهیه مقاطع در زوایا و موقعیت های مختلف، تهیه نقشه های بافت و جنس سطوح و … باشند.

اسکنرهای فتولیزری

از خصوصیات منحصربفرد اسکنرهای فتولیزری (مانند Z420i و Z360 که محصول شرکت ریگل REIGL اتریش است) تلفیق فتوگرامتری برد کوتاه با ابر نقاط برداشت شده توسط اسکنر لیزری می باشد که در زمینه مستند­نگاری میراث فرهنگی کاربرد فراوانی دارد. این شیوه به منظور تهیه نقشه های دقیق خطی از کتیبه ها و سنگ نوشته ها مناسب است. تهیه اورتوفتو از این طریق کاری بسیار ساده بوده و با استفاده از تک عکس می­توان نقشه سه بعدی تهیه کرد.

 

نحوه برداشت نقاط به این صورت است که ابتدا دستگاه را روی نقطه دلخواه مستقر می نماییم سپس بر طبق اصول ترفیع روی نقاط معلوم رفلکتورهای کاغذی استوانه ای شکل مستقر می کنیم. در این مرحله بدون نیاز به تراز کردن دستگاه و با انجام تنظیماتی در داخل نرم افزار تمامی نقاط اطراف از جمله رفلکتورها در زمانی کوتاه برداشت می شوند. رفلکتورها از خاصیت انعکاس بالاتری نسبت به دیگر اجسام برخوردار هستند، لذا در داخل نرم افزار می­توان به راحتی به صورت اتوماتیک تشخیص داد. حال با توجه به اینکه تمامی رفلکتورها دارای مختصات محلی (سیستم مختصات اسکنر) و مبنا (سیستم مختصات WGS84 و یا هر سیستم مختصات مبنای دیگری) هستند، ترانسفورماسیون نقاط لیزری به سیستم مختصات مبنا امکان پذیر است. انتقال سیستم مختصات اسکنر به سیستم مختصات مبنا به صورت اتوماتیک در نرم افزار RiScan Pro به روش کمترین مربعات انجام می شود. بدیهی است هر چه تعداد رفلکتورها بیشتر باشد، درجه آزادی بالاتر و دقت این ترانسفورماسیون نیز بالاتر می رود. به همین ترتیب تمامی نقاط برداشت شده از ایستگاه های مختلف زمین مرجع می شوند.

روش کار بدین صورت است که بعد از اتمام برداشت نقاط توسط لیزر اسکنر دوربینی که روی اسکنر نصب شده است شروع به تصویربرداری کرده و سپس در داخل نرم­افزار RiScan Pro تصاویر با ابر نقاط تلفیق شده و نقاط رنگ طبیعی به خود می گیرند. البته ایجاد تناظر یک به یک و ارتباط هر نقطه لیزری با پیکسل متناظر آن در تصویر بعد از انحام کالیبراسیون دوربین عکسبرداری و کالیبراسیون سخت افزاری بر روی اسکنر صورت می پذیرد. در نرم افزارهایی همچون PHIDIAS می توان ابر نقاط و تصاویر را با هم وارد نرم افزار نمود و بدون نیاز به انجام توجیهات داخلی، نسبی و مطلق کار پردازش و تبدیل را انجام می داد.

بعد از وارد کردن نقاط لیزری و تصاویر به داخل نرم افزار رویه ای سه بعدی روی نقاط لیزری، که با تصویر تلفیق شده اند، برازش داده می شود. سپس با حرکت ماوس می­توان بردارهای سه بعدی روی تصویر ترسیم نمود. در واقع ماوس روی تصویر حرکت نمی کند بلکه بر روی رویه برازش داده شده بر نقاط لیزری حرکت می کند. با توجه به اینکه نقاط توسط لیزر اسکنر به صورت نا­منظم برداشت می شوند تشخیص لبه اجسام صرفا از طریق نقاط لیزری امکان پذیر نمی باشد ولی با تلفیق عکس به راحتی می­توان لبه ها را نیز ترسیم نمود.

Close Menu