SLAM-сканирование: принципы работы, технологии XGRIDS и сферы применения

Аббревиатура SLAM (Simultaneous localization and mapping) переводится на русский как “одновременная локализация и картографирование”. Это означает, что лазерный сканер параллельно выполняет сразу несколько операций - он собирает информацию об окружающей местности, определяет свое положение в пространстве и на основе этих данных строит облако точек, при помощи которого специалист в дальнейшем может создать трехмерную модель объекта, топографическую съемку местности или кадастровый план территории, посчитать объемы выполненных работ и сыпучих материалов, использовать полученные данные для нужд дизайна и создания моделей дополненной реальности..

Трехмерное сканирование с использованием лазерных сканеров – революционная технология, играющая все более значительную роль в современном мире. Высокая скорость и точность превосходят традиционные методы пространственной съемки, существенно ускоряя рабочие процессы и повышая качество результатов.

В современном мире 3D-сканирование становится неотъемлемой частью многих отраслей, от архитектуры до медицины. Лазерные сканеры позволяют быстро и эффективно собирать данные о сложных объектах и пространствах, создавая их точные цифровые модели.

Одним из ключевых преимуществ лазерного сканирования является его скорость. В отличие от традиционных методов съемки, которые могут занимать дни или даже недели, SLAM-сканеры способны за считанные часы собрать миллионы точек данных. Это особенно важно в тех сферах, где временные рамки часто ограничены.

Традиционные методы съемки могут быть подвержены человеческим ошибкам, тогда как сканеры минимизируют этот риск, предоставляя данные с сантиметровой точностью. Это позволяет создавать более точные чертежи и модели, что в свою очередь снижает вероятность ошибок на этапах проектирования и строительства.

Таким образом, 3D-сканирование делает рабочие процессы более надежными и страхует от ошибок, что в конечном итоге приводит к экономии времени и ресурсов.

Принципы работы SLAM

В основе технологии лежит сочетание лидара, инерциальной системы и цифровых камер. Процедура съемки максимально проста - достаточно просто пройти с прибором вдоль объекта, при этом сканировать можно как объекты на улице, так и внутри помещения. При съемке больших территорий сканер обычно крепят на рюкзак для удобства. Сбор информации максимально прост, длительное обучение для этого не требуется.

В процессе работы головка лидара вращается, сканируя окружающую местность, а цифровые камеры отслеживают трек движения, а также делают снимки, по которым на этапе обработки специалист сможет раскрасить облако в истинные цвета объекта.

Данные сканирования доступны к просмотру на мобильном устройстве в режиме реального времени. Таким образом оператор непосредственно в поле может контролировать процесс производства работ сканирования, не допуская пропусков.

Облако точек, полученное в полевых условиях с любого SLAM-сканера, необходимо предварительно обработать в специализированном программном обеспечении, которое обычно поставляется вместе со сканером. ПО в зависимости от бренда позволяет произвести: сшивку облака точек в единый массив данных, фильтрацию различных типов и преобразование координат точек в систему координат, проверку оценки точности полученных данных. Для привязки облаков точек в местные плоские системы координат часто используются наземные или настенные метки с известными координатами. Некоторые программы позволяют автоматически удалять движущиеся объекты, случайно попавшие в кадр, такие как проходящие мимо люди или автомобили. Время предобработки может варьироваться от 5 минут и более, в зависимости от размера объекта. После предобработки, в зависимости от поставленных задач, облако точек можно экспортировать в специализированные программные комплексы (autocad и др.) для последующей обработки.

Преимущества и ограничения SLAM

К плюсам технологии можно отнести следующее:

• Сочетание простоты и мобильности использования позволяет за короткий промежуток времени зафиксировать большой объем окружающей местности или конструктива для последующей обработки. Это преимущество раскрывается как на площадных, так и на линейных объектах, при использовании на улице и в помещении.
• Используя SLAM-сканер вы фиксируете всю информацию на 360 градусов в видимом диапазоне, а не только те данные, которые требуются для решения текущей задачи. Благодаря этому минимизируется необходимость повторных съемок, что в свою очередь экономит время и деньги.
• Процесс SLAM-сканирования без использования истинных цветов объекта не зависит от освещения. Качество облака в режиме интенсивности будет одинаково высоким как при дневном свете, так и ночью, в сумеречные часы или в темном помещении.
• Качественная визуализация. Выполнить постобработку или работать с моделями без проблем может сотрудник, который вообще не был на объекте.
• Такой способ съемки не требует ведения полевого абриса.

Ограничения SLAM-технологии:

• Относительная (до 300 м) дальность и точность до 2 см, которая отвечает требованиям не всех отраслей и задач.
• От окончания процесса сбора данных до получения, почищенного от шума сшитого облака в нужной местной плоской системе координат проходит определенное количество времени. Размер этого временного промежутка зависит от объема сканирования и в среднем 1 час полевой работы соответствует 3 часам постобработки данных.
• Плотность данных ниже, чем у классического лазерного сканера. В защиту SLAM-решений можно сказать, что они, как правило, в 2-3 раза дешевле и проще в работе, чем обычный наземный сканер.
• Необходимость использования вспомогательных геодезических приборов для определения координат контрольных точек с целью привязки к местным плоским системам координат и повышения точности.

Обзор технологий XGRIDS

Компания XGRIDS предоставляет инновационные инструменты для создания 3D-контента и платформы разработки, преобразуя передовые технологии пространственного интеллекта в функциональные аппаратные и программные продукты. Решения компании повышают эффективность производства моделей и операций в различных отраслях, способствуя широкому внедрению 3D-технологий.

80% сотрудников XGRIDS занимаются НИОКР. В их число входят эксперты с мировым именем, заслужившие безупречную репутацию в области распределенных высокопроизводительных вычислений, гетерогенных вычислений на графических процессорах, 3D-реконструкции, искусственного интеллекта и робототехники, чтобы сформировать ведущую в мире команду по 3D-технологиям.

Мобильные устройства XGRIDS для сканирования выделяются на фоне конкурентов за счет запатентованной технологии Multi-SLAM и объединения данных с нескольких датчиков под руководством искусственного интеллекта. Все это в купе с распределенными высокопроизводительными вычислениями выводит возможности 3D-проектирования на новый уровень.

Характеристики и преимущества и программного обеспечения сканеров XGRIDS

XGRIDS предлагает программное обеспечение двух видов (LixelStudio, Lixel CyberColor Studio) и четыре гибкие аппаратные платформы (K1, и L2, L2Pro, Sky S1), которые закрывают любые задачи по лазерному сканированию.

LixelStudio - это программное обеспечение для обработки полученных сканерами Lixel данных, разработанное компанией XGRIDS. Оно может быть двух видов: для обработки данных полученных SLAM сканерами, а также данных с воздушного сканера Sky S1. Программный комплекс позволяет получать облака точек, раскрашенные в реальные цвета объектов, а также в цвета по интенсивности и превышению. Удалять динамические объекты, производить фильтрацию полученных данных по интенсивности и удаление шумов. Трансформировать облака точек в местные плоские системы координат по контрольным точкам или используя параметры перехода. Экспортировать облака точек в обменные форматы данных, такие как Las, E57, Rcp.

Сшивать обработанные облака точек по контрольным точкам и перекрытию. Также доступен подсчет объемов сыпучих материалов. Разработчики команды XGRIDS совместно со специалистами компании "РУСГЕОКОМ" ведут работы по увеличению функционала программного обеспечения для обработки данных сканирования с целью сделать универсальные программные комплексы для решения большинства инженерных задач.

Lixel CyberColor Studio — это инструмент, который позволяет пользователям выполнять рендеринг и генерацию фотореалистичных моделей LCC или PLY на компьютере в режиме постобработки. После импорта лазерных и визуальных данных, полученных с помощью сканеров серии Lixel, программа автоматически обрабатывает данные для создания 3D-моделей по технологии Gaussian splatting. Это технология, которая позволяет получать реалистичные модели, которые можно просматривать с частотой 100 кадров в секунду и разрешением 1080p. Пользователям доступен локальный просмотр моделей или публикация в интернете по веб-ссылкам, чтобы другие пользователи могли получить к ним доступ и просматривать удаленно.

XGRIDS LixelKity K1 – компактный и мощный мобильный лазерный сканер, который открывает доступ к профессиональному 3D-сканированию для всех желающих. За счет своей доступности эта модель - настоящая революция в мире сбора геопространственных данных. Благодаря компактному корпусу из алюминиевого сплава (весом всего 1 кг с аккумулятором) и эргономичному дизайну, он легко помещается в сумку и удобен в использовании. Ключевой особенностью модели является способность получать цветные облака точек в режиме реального времени благодаря интеграции лидара марки Levox и двух панорамных камер с разрешением 48 МП. Данное сочетание позволяет получать в процессе постобработки не только качественные облака точек, но модели дополненной реальности при помощи технологии Gaussian splatting. Управление сканером осуществляется с помощью мобильного приложения LixelGO, которое позволяет контролировать процесс сбора данных, просматривать результаты сканирования в режиме реального времени, фиксировать контрольные точки, настраивать RTK модуль. Оптимальная дальность съемки составляет 40 метров, но при коэффициенте отражения 80% доходит до 70 метров. Скоростиь сбора данных составляет 200 000 точек в секунду. Все это делает K1 отличным выбором для работы не только на небольших объектах и съемки помещений, но и при использование данного сканера в кадастре, топографических работах, подсчетов объемов сыпучих материалов, получения моделей дополненной реальности.

Лазерный SLAM сканер XGRIDS Lixel L2 доступен в нескольких модификациях, которые отличаются между собой дальностью и скоростью сканирования, а также наличием в комплекте модуля RTK для повышения точности данных. Прибор способен охватывать расстояние до 300 метров со сверхвысокой точностью ±1,2 см, что делает его идеальным инструментом для работы как в городских условиях, так и в сложных природных ландшафтах. Это позволяет выбрать наиболее подходящее для ваших задач сочетание цены и функционала. Прибор оснащен тремя камерами, которые захватывают цветные изображения окружающей среды, создавая реалистичные облака точек с точной цветопередачей. Дополнительно сканер может быть оснащен камерой Insta360 One RS, которая позволяет не только увеличить качество раскраски облака точек, но и использовать полученные данные для получения моделей дополненной реальности при помощи технологии Gaussian splatting. Плотность облака точек менее 1 см гарантирует, что полученные при помощи ручного лазерного сканера XGRIDS Lixel L2 32/300 модели обладают высокой детализацией. Это особенно важно для таких областей, как архитектура, где каждая деталь имеет значение. Прибор позволяет захватывать мельчайшие элементы, что делает 3D-модели максимально информативными и полезными для дальнейшего анализа и проектирования.

Лазерный SLAM сканер XGRIDS Lixel L2Pro также как и его младшая модель L2 доступна в нескольких вариантах исполнения. Со сканирующей головкой на 16 и 32, канала от которых зависит плотность получаемого облака и предельной дальностью 120 или 300 метров. Литера Pro в названии неслучайна. Линейка Lixel L2Pro является Hi-end сегментом SLAM сканеров XGRIDS и помимо точной сканирующей головки обладает двумя встроенными панорамными камерами с разрешением 48 МП, возможностью установки профессионального GNSS приемника с повышенной стабильностью фиксированного решения, возможностью получения в режиме постобработки облаков точек с плотностью до 1 мм. Как и модель K1 сканер позволяет получать на основе полученных данных модели дополненной реальности при помощи технологии Gaussian splatting. Описанные выше характеристики делают лазерный SLAM сканер XGRIDS Lixel L2Pro универсальным инструментом для решения практически любых задач не только в инженерной геодезии, строительстве и кадастре, но и ряда задач кинематографа и создания видеоигр.

Lixel Sky S1 - лидар необходимый для проведения работ, связанных с воздушным лазерным сканированием и не только. Он крепится на актуальные модели БПЛА, таких как Matrice 300 RTK и Matrice 350 RTK и может применяться там, где классическое сканирование недоступно или сложно выполнимо. Основное применение, это картографирование больших площадных или линейных объектов, контроль и мониторинг выработки на добычах открытым способом, а благодаря наличию встроенной телевизионной камеры он может применяться в поисковых работах, мониторинге, предотвращение пожаров и контроле территории. За один получасовой вылет, прибор может зафиксировать до полутора квадратных километров территории. Благодаря наличию отдельного радио модуля, лидар транслирует изображение, облако точек и термограмму - напрямую в программу Lixel Studio (с модулем для S1), для последующего контроля полетов.

Сравнение с другими методами 3D-сканирования

SLAM-сканеры Lixel от XGRIDS обладают рядом преимуществ перед другими методами трехмерной съемки:

• Мобильность: Приборы могут работать в движении, что позволяет использовать их на БПЛА, роботах или ручных устройствах. Это делает их идеальными для сканирования больших или труднодоступных пространств.
• Гибкость: благодаря высокой скорости сбора данных сканеры подходят для различных условий, включая сложные строительные объекты с высокой концентрацией движущейся техники, где другие методы могут быть менее эффективными..
• Эффективность: Процесс сканирования происходит в движении, также нет необходимости в остановках для калибровки или настройки оборудования, что положительно влияет на скорость.
• Точность в реальном времени: SLAM-алгоритмы позволяют получать точные данные в реальном времени, что полезно для оперативного принятия решений.
• Экономическая эффективность: поскольку такие приборы в несколько раз дешевле других вариантов, они быстрее окупаются и начинают приносить прибыль.

Строительство и архитектура

Несмотря на то, что точность данных SLAM сканирования не соответствует нормативной документации, используемой при строительстве, данная технология будет применима в направлениях не требующих повышенной точности. Например, подсчет объемов земляных работ и котлованов, актирование объемов выполненных работ, авторский надзор, обмерные работы, исполнительные схемы подземных и наземным коммуникаций, ландшафтный дизайн.

Кинематограф и видеоигры

В сфере развлечений лазерное сканирование применяется для создания реалистичных виртуальных моделей, персонажей и спецэффектов в фильмах и компьютерных играх. Высокая детализация и точная геометрия, получаемые при сканировании, позволяет создавать более реалистичные модели. В сравнении с ручным моделированием, лазерное сканирование значительно ускоряет процесс создания цифровых данных, что особенно важно в условиях современных темпов производства.

Археология и культурное наследие

Сохранение культурного наследия – ещё одна сфера, где лазерное сканирование демонстрирует свою незаменимость. SLAM позволяет создавать детальные цифровые двойники исторических зданий, артефактов и памятников, не повреждая при этом оригиналы. Это дает возможность создавать виртуальные музеи, реставрировать объекты на основе цифровых данных, а также архивировать и защищать культурные ценности от разрушения. Традиционные методы документирования значительно менее эффективны и требуют больше времени и ресурсов.

Система охраны правопорядка, экспертиза, следственные действия, министерство чрезвычайных ситуаций

SLAM-сканеры могут найти применение в быстрой фиксации места преступления, ДТП, аварии, чрезвычайного происшествия в. Это особенно важно в больших и сложных зданиях.техногенного характера, последствий пожара. Это позволит максимально точно и быстро зафиксировать актуальное состояние дел с целью последующего анализа и подсчета ущерба.

Интеграция машинного обучения и искусственного интеллекта

Интеграция ИИ и машинного обучения кардинально меняет возможности программного обеспечения для обработки данных, полученных сканерами. Традиционные алгоритмы сталкиваются с трудностями при обработке больших объемов данных, удалению шумов и классификации объектов. ИИ помогает преодолеть эти ограничения: нейронные сети способны эффективно фильтровать шум, выявлять выбросы и обрабатывать неполные или противоречивые данные от сенсоров. Это особенно важно в сложных средах с динамическими объектами, такими как движущиеся люди или автомобили.

Система может "обучаться" на большом количестве данных, полученных в разных условиях, что позволяет ей более точно и надежно работать в неизвестных средах. Это особенно важно для роботов, работающих в динамически изменяющихся условиях.

Использование ИИ позволяет перейти от простой геометрической карты к семантической. Это означает, что система не только создает карту пространства, но и классифицирует объекты на карте (стены, двери, люди, мебель и т.д.). Эта информация значительно улучшает навигацию и принятие решений роботом.

Улучшения в точности и скорости сканирования

Комбинирование данных от разных сенсоров позволяет повысить точность и надежность SLAM. Совмещение данных от разных источников позволяет компенсировать недостатки каждого отдельного сенсора.

Использование более мощных процессоров и специализированного оборудования (например, GPU) позволяет обрабатывать большие объемы данных быстрее и эффективнее, что приводит к повышению скорости работы системы.

Расширение сфер применения SLAM-сканеров

Потенциальные области применения лазерного сканирования постоянно расширяются:

• Автономные транспортные средства: SLAM играет ключевую роль в создании беспилотных автомобилей и дронов. Точная карта и определение местоположения необходимы для безопасной навигации в сложной городской среде.
• Робототехника: Технология позволяет роботам перемещаться в неизвестных или динамически меняющихся условиях, например, в складах, производственных цехах, спасательных операциях или районах проведения боевых действий.
• 3D-моделирование: SLAM используется для создания обмерных 3D-моделей зданий, инфраструктуры и других объектов. Это находит применение в архитектуре, строительстве, археологии и других отраслях.
• Виртуальная и дополненная реальность: Оборудование позволяет создавать реалистичные виртуальные среды, которые точно соответствуют реальному миру. Это открывает новые возможности для игр, путешествий, обучения и других приложений.
• Геоинформационные системы (ГИС): Техника используется для создания точных карт местности, что особенно актуально для мониторинга окружающей среды, сельского хозяйства и картографии.

Лазерные SLAM-сканеры XGRIDS демонстрируют значительные преимущества в 3D-сканировании благодаря своей мобильности, автономности и точности. Они обеспечивают быстрое и эффективное создание цифровых моделей, что особенно полезно в строительстве, киноиндустрии, создании видеоигр и других отраслях. Инновационные решения XGRIDS, такие как Multi-SLAM и интеграция с ИИ, выводят 3D-проектирование на новый уровень, делая его более доступным и экономически эффективным. Эти технологии открывают новые возможности для точного и быстрого сбора данных, что способствует оптимизации процессов и снижению затрат.