Стаття Мільйони точок в nanoCAD Plus 7, або Докладніше про хмари точок з журналу CADmaster
Мільйони точок в nanoCAD Plus 7, або Докладніше про хмари точок
Завантажити статтю у форматі PDF - 3 Мбайт
CADmaster » CADmaster №2(81) 2015 » Платформи САПР Мільйони точок у nanoCAD Plus 7, або Трохи докладніше про хмари точок
Що таке «хмара точок»? Це безліч точок у тривимірному просторі, отриманих в результаті 3D-сканування об'єкта реального світу і що представляють поверхню цього об'єкта. 3D-сканування реалізується спеціалізованими пристроями - 3D-сканерами, які в автоматичному режимі заміряють велику кількість точок на поверхні об'єкта, що сканується, і створюють на виході хмару точок (рис. 1) 1 . Вихідні дані 3D-сканера містять координати XYZ та метадані, що залежать від типу 3D-сканера. Під метаданими розуміються специфічні дані, є побічним продуктом процесу вимірювання координат точок. Наприклад, для активних безконтактних сканерів такими будуть інтенсивність відбитого сигналу, кількість відбитків, час фіксації крапки, колір поверхні тощо. Об'єм і якість даних залежать від 3D-сканера, що застосовується. Зберігання і обробка хмар точок привносять додаткові, метадані користувача (атрибути): клас (код) точки, нелокальні геометричні характеристики (псевдонормаль, топологічні показники) і т.п.
Якість хмари безпосередньо залежить від якості 3D-сканера, його роздільної здатності, точності та швидкості сканування. Зрозуміло, що серйозні завдання вимагають серйозних пристроїв, але на сьогоднішній день джерелом хмари може служити навіть популярний сенсор Kinect ігрової приставки Microsoft XBOX, який у багатьох мешкає під домашнім телевізором і за допомогою пари нехитрих датчиків формує тривимірне зображення. Технології стають доступнішими з кожним днем — самецим і пояснюється інтерес до хмар точок.
Навіщо вони потрібні? У першу чергу хмари точок забезпечують швидку візуалізацію об'єкта реального світу, що цікавить вас. Але, звичайно, тільки цією областю вони не обмежуються — хмари точок успішно використовують для змін та контролю, 3D-друку, віртуалізації важкодоступних місць або великих об'єктів, створення тривимірних і математичних моделей, розпізнавання образів, а також при автоматизованому аналізі, реконструкціях та експлуатації . Без сумніву, хмари точок привносять багато корисного і до системи автоматизованого проектування: про деякі напрями ми поговоримо в цій статті, а щось, можливо, ви придумаєте самі — нам здається, що потенціал тривимірних хмар точок ще до кінця не розкритий і ця технологія може стати чудовим інструментом для вирішення ваших завдань.
Хмари точок в nanoCAD Plus
Отже, починаючи з версії 7.0, підтримка хмар точок з'явилася і у вітчизняній платформі САПР nanoCAD Plus. Зокрема, програмний продукт отримав додатковий розділ меню, який поєднує функції імпорту та відображення хмар точок (рис. 2). Першим пунктом є функція імпорту.
Підтримувані формати
Для початку розберемося з тим, які формати підтримує nanoCAD Plus 7.0. КомандаІмпортнадає можливість завантажувати хмари п'яти популярних форматів: BIN (TerraSolid), LAS (ASPRS), PTX (Leica), PTS (Leica) та PCD (Point Cloud Library). Власний модуль прямого імпорту дозволяє зберегти максимум інформації із вихідного файлу.
Такий похід не просто робить роботу зручнішою — в процесі імпорту користувач може отримувати загальну інформацію про хмари точок, фільтрувати метадані, що імпортуються, і проводитипопередню класифікацію точок: за класом (кодом), за відображенням і т.д. Таким чином, дані вже приходять до САПР упорядкованіше (рис. 3).
Інформація про прив'язку та налаштування відображення хмари точок зберігається в файлі *.dwg.
У перспективі користувачі зможуть зберігати хмару всередині файлу *.dwg, як це було зроблено в попередній версії nanoCAD Plus для растрових зображень. Така можливість знижує ризик втратити дані під час передачі проекту стороннім виконавцям та замовнику.
Об'єм даних 3D-сканування, що підтримуються nanoCAD Plus
Кількість точок у хмарі залежить від роздільної здатності 3D-сканера. Цілком звичайними вважаються хмари на 3-4 мільйони крапок. Надвеликі хмари містять мільярд точок і більше — для обробки такого обсягу даних потрібні досить потужні комп'ютери та спеціалізовані алгоритми.
У nanoCAD Plus 7.0 не передбачено жодних технічних обмежень на обсяг хмар точок, а самі алгоритми оптимізовані для обробки надвеликих масивів – див. рис. 4, на якому наведено приклади роботи з великими хмарами точок (файл-приклад цеху (129 мільйонів точок) отримано за допомогою сканерів компанії Leica та надано представниками цієї компанії).
Відображення хмар точок
nanoCAD Plus дозволяє налаштувати відображення імпортованої хмари точок – за це відповідає командаРежим відображення. Тут можна налаштувати тип розмальовки хмари та розмір точки – дуже ефектно відображаються хмари точок, розфарбовані за кольором сканування (рис. 5). Фактично виходять тривимірні фотографії відсканованих об'єктів, якими можна прогулятися, вбудувати їх у існуючу 3D-модель і навіть використовувати прив'язки до точок хмари при будь-яких побудовах. Варто зазначити, що цей функціоналвідкритий для вертикальних програм, що завантажуються в nanoCAD Plus. А розробники таких програм можуть використовувати великий програмний інтерфейс для доступу до інформації про точки хмари та їх параметри.
Якщо у вас встановлений nanoCAD Plus 7.0, ви можете самі поблукати у хмарі точок - папка прикладів містить у форматі *.dwg нескладну модель з фільтраційним обладнанням. Спробуйте змінити в неї колір, товщину крапок, бути схожим за моделлю в режимі перспективної навігації. У цій же папці ви знайдете інші приклади тривимірних точкових проектів.
Операції над хмарами точок
Що можна робити з хмарами крапок, окрім візуалізації? Якщо теоретизувати, то кількість корисних функцій виявиться просто величезним: можна порівнювати моделі, визначаючи колізії, вичленяти об'єкти за певними ознаками (наприклад, метаданими), класифікувати групи точок за різними ознаками, зшивати-розрізати хмари точок за цими або додатковими ознаками, розпізнавати поверхні та об'єкти.
Але ці завдання — функціонал вузькоспеціалізованих рішень, специфічних для конкретної предметної області. У nanoCAD Plus 7.0 набір інструментів для роботи з хмарами точок дещо скромніший і розрахований на масове застосування. Зокрема, платформа дозволяє виконувати:
- обрізання хмар точок по прямокутниках чи полігону. Це дозволяє скоротити розмір хмари, з яким користувач працює в даний момент, та вичленувати з хмари точок потрібну для роботи модель;
- побудова вертикального або горизонтального перерізу по хмарі точок. Наприклад, за допомогою цієї функції можна отримати перетин будівлі або поверхню землі (рис. 6);
- прив'язку до найближчих точок перерізу та геометричні побудови по перерізу хмари точок.
Яке ж практичне застосування мають ці інструменти? Одним із прийомів роботи з функціоналом перерізів та кліпів є сегментування хмари точок для того, щоб організувати зручну роботу з цільовою ділянкою простору, прибравши вплив інших частин хмари. На додаток до цього, функціонал прив'язок до хмари точок дозволяє ефективно спиратися на точки для проведення вимірювань, трасування тривимірних об'єктів і навіть тривимірного моделювання. Прив'язуючись до точок хмари, можна використовувати можливості всіх штатних команд nanoCAD для вимірювання відстаней та довжин, периметрів та площ.
Для трасування проекцій тривимірних об'єктів у перерізах хмар точок застосуємо широкий набір наявних креслярських засобів nanoCAD, а для тривимірних побудов з використанням геометрії хмар точок до ваших послуг весь функціонал нового модуля 3D-моделювання.
Приклади робіт із хмарами точок
Застосовуючи до даних, отриманих з хмар точок, додаткові алгоритми можна вирішувати більш інтелектуальні завдання. Скажімо, у Венеції фасади будівель, оцифровані за допомогою мобільної лазерної системи сканування RIEGL VMX-250, аналізуються на результати деформацій та наслідки дій вандалів (рис. 7) 2 .
Інший приклад: оцифрування Великого каньйону (США) за допомогою сканерів RIEGL VZ-4000 – подивіться, як створюються тривимірні моделі (рис. 8) 3 .
Тривимірне сканування дозволяє описувати моделі навіть таких важкодоступних об'єктів, як занедбані шахти (рис. 9) 4 .
В Інтернеті ви знайдете безліч інших прикладів оригінального застосування технології хмари точок. Вирішення всіх цих завдань стало можливим завдяки розвитку програмного та апаратного забезпечення.
Висновок
А вже зараз можна завантажувати хмари точок, будувати перерізи, проводити вимірювання, виконувати трасування тривимірних об'єктів. Цей функціонал доступний на nanoCAD Plus, причому випробувати його ви зможете і в демо-режимі. Таким чином, стартовий набір інструментів у вас є. Гарних проектів!