Dawid KURCZYK

Dawid KURCZYK
Katedra Zarządzania i InŜynierii Produkcji,
Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej
E–mail: [email protected]
Sposoby obróbki chmur punktów w procesach
odwzorowania obiektów 3D
1. Wprowadzenie
Proces powstawania trójwymiarowego modelu, na podstawie danych pozyskanych
w wyniku skanowania trójwymiarowegoM składa się z dwóch zasadniczych etapów.
Pierwszym jest skanowanie a drugim obróbka otrzymanych danych. Przed przystąpieniem do pierwszego etapu naleŜy wybrać odpowiedni rodzaj skanera 3D oraz oprogramowanie sterujące pracą skanera. Jako, Ŝe jeden z poprzednich artykułów
(„Classification of terrestrial 3D laser scanners”) przedstawiał klasyfikację trójwymiarowych naziemnych skanerów laserowych pod kątem sposobu działania a takŜe traktował o wadach i zaletach róŜnych typów skanerów, kwestia ta została pominięta
w niniejszym artykule. Skupiono się jedynie na oprogramowaniu umoŜliwiającym przetwarzanie danych pozyskanych w wyniku skanowania. Kwestia wyboru oprogramowania sterującego skanerem takŜe została pominięta, poniewaŜ z reguły kaŜdy producent
skanera dostarcza wraz z urządzeniem dedykowane oprogramowanie umoŜliwiające
rejestrowanie punktów naleŜących do powierzchni skanowanego obiektu. Oprogramowanie do obsługi skanera najczęściej współpracuje z innymi typami skanerów i mimo
takiej moŜliwości nie ma potrzeby zamiany dostarczonego oprogramowania na alternatywne. Istotna wydaje się kwestia wyboru oprogramowania do obróbki juŜ zarejestrowanych danych. Zastosowanie skanerów trójwymiarowych jest bardzo szerokie.
Wykorzystuje się je w takich dziedzinach jak archeologia (dokumentacja wykopalisk),
kryminalistyka (dokumentacja miejsca zbrodni), architektura (inwentaryzacja zabytków), leśnictwo (szacowanie drzewostanu), geodezja (pomiary topografii terenu, tuneli,
dróg), inŜynieria lądowa (dokumentacja instalacji przemysłowych), inŜynieria przemysłowa (w przemyśle samochodowym oraz maszynowym do wyznaczania profili przedmiotów dla potrzeb szybkiego prototypowania i inŜynierii odwrotnej a takŜe do kontroli
jakości wykonanych elementów). Jak widać obszar aplikacji skanerów trójwymiarowych jest szeroki podobnie jak gama oprogramowania umoŜliwiającego obróbkę danych ze skanera. Problem polega na tym, Ŝe nie istnieje oprogramowanie uniwersalne.
Trzeba jasno określić cel skanowania by dokonać właściwego wyboru oprogramowania
do obróbki chmury punktów tym bardziej, Ŝe jego cena do niskich nie naleŜy.
Niniejszy artykuł ma na celu pokazanie procesu powstawania modeli stanowisk pracy
dla potrzeb nowoczesnego narzędzia zarządzania jakim jest „Cyfrowa Fabryka”, czyli
obszerna sieć cyfrowych (komputerowych) modeli, metod i narzędzi (łącznie z symulacją, wizualizacją 3D i wirtualną rzeczywistością), które są zintegrowane i umoŜliwiają
zarządzanie danymi w sposób ciągły. Celem jest osiągnięcie kompleksowego planowania, oceny i ciągłego doskonalenia wszystkich znaczących procesów i zasobów w
przedsiębiorstwie łączących się z produktem. Wszystkie elementy związane z produkcją
powinny być zamodelowane podczas planowania przy pomocy metod wspomaganych
komputerowo w taki sposób, by fizyczna produkcja spełniała wszystkie załoŜenia zawiązane z jakością czasem i kosztem produkcji. W artykule przedstawiono sposoby
pozyskiwania modeli z wykorzystaniem takich aplikacji jak AutoCad, Pointools Model
i Pointols View oraz moduł Digitized Shape Editor dostępny w programie Catia.
99
2. Skanowanie
Przygotowanie modelu linii produkcyjnej wymaga znajomości gabarytów wszystkich
istotnych elementów wchodzących w skład poszczególnych stanowisk. Pozyskiwanie
tych wymiarów tradycyjnymi metodami pomiarowymi jest niezwykle czasochłonne,
szczególnie w przypadkach skomplikowanych i złoŜonych stanowisk pracy. Aby przyśpieszyć proces powstawania modelu coraz częściej wykorzystuje się technikę skanowania trójwymiarowego. Wszystkie modele zaprezentowane w artykule powstały dzięki
wykorzystaniu fazowego skanera FARO Laser Scanner LS 880. Do pomiaru odległości
pomiędzy skanowanym obiektem a skanerem wykorzystuje się promień podczerwieni
o długości fali światła 785 nm. Promień podczerwieni wygenerowany przez 20 mW
laser przesuwa się po powierzchni skanowanego obiektu odczytując współrzędne przestrzenne punktów tworzących powierzchnię obiektu. Stopień zagęszczenia zeskanowanych punktów zaleŜy od zadanej rozdzielczości skanowania.
W najwyŜszej
rozdzielczości skanowania, rejestracja punktów odbywa się co kilka dziesiątych części
milimetra na dystansie 10 metrów. Jest to wysoka precyzja, która pozwala na uzyskanie
błędu systematycznego rzędu ± 3mm. Czas pomiaru zaleŜy od zadanej rozdzielczości
i rozmiaru obszaru skanowania (360° w poziomie i 320° w pionie). Skaner ma moŜliwości dokonania 120000 pomiarów w ciągu sekundy. Dystans pomiędzy punktem
a skanerem jest obliczany na podstawie przesunięcia fazy fali promieniowania podczerwonego powracającej do skanera po odbiciu od obiektu. Rejestracja współrzędnych
przestrzennych jest moŜliwa dzięki ruchowi obrotowemu skanera w poziomie i lustra
(odbijającego promień lasera) w pionie. Wynikiem skanowania jest zbiór milionów
punktów opisanych trzema współrzędnymi X, Y, Z. Dane te moŜna wizualizować
w postaci trójwymiarowej chmury punktów przy pomocy specjalnego oprogramowania.
3. Przygotowanie chmury punktów
Aby pozyskać chmurę punktów reprezentującą linię produkcyjną naleŜy dokonać skanowania z kilku lub kilkunastu pozycji w celu rejestracji wszystkich potrzebnych powierzchni. Skanowanie z kaŜdej pozycji trwa od 2 do 120 minut w zaleŜności od
przyjętej gęstości skanowania i jest zapisywane w oddzielnym pliku. W taki sposób
dokonuje organizacji zarejestrowanych danych, dołączone do skanera oprogramowanie
Faro Record. Gdy obiekt zostanie juŜ zeskanowany a zarejestrowane punkty zapisane na
dysku twardym komputera w postaci chmury punktów, moŜna przejść do obróbki danych. W celu otrzymania trójwymiarowej chmury punktów całej linii produkcyjnej
naleŜy połączyć ze sobą wszystkie skany wykonane z róŜnych pozycji. Aby dopasowanie było precyzyjne wykorzystuje się punkty referencyjne, którymi mogą być specjalne
kule o znanej średnicy lub plansze wykorzystywane w pomiarach geodezyjnych. Większość programów dostarczanych do skanera potrafi automatycznie rozpoznawać punkty
referencyjne i łączyć skany w jedną chmurę punktów. W przypadku skanowania wielkogabarytowych obiektów takich jak np. hale o długości 200 m warto wspomagać się
geodezyjnymi pomiarami celem wyznaczania pozycji punktów referencyjnych dla zachowania precyzji łączenia skanów. Przykładowo, dzięki takim pomiarom moŜna uzyskać precyzję na poziomie 1 mm podczas gdy przy wykorzystaniu kul referencyjnych
powstają rozbieŜności przekraczające 300 mm. Po złoŜeniu całej chmury punktów warto zadbać o odpowiednią jej orientację względem globalnego układu współrzędnych.
Pozwoli to korzystanie z predefiniowanych widoków (dół, góra, przód, tył, prawo, lewo) dostępnych w programach typu CAD w celu szybkiej orientacji chmury punktów
dla potrzeb wygenerowania np. elewacji budynku. Na koniec naleŜy dokonać „czyszczenia” chmury punktów. Wadą wielkoformatowych skanerów fazowych jest to, Ŝe
skanują nie tylko wybrany obiekt ale cały obszar skanowania, przez co chmura punktów
zawiera takŜe niepotrzebne obiekty, które naleŜy usunąć. Dzięki temu poprawia się nie
100
tylko przejrzystość danych ale takŜe zmniejsza się ich liczba co przekłada się na szybkość przetwarzania chmury punktów przez komputer. Gdyby okazało się, Ŝe mimo tego
zabiegu liczba punktów jest za duŜa, moŜna zastosować filtrowanie i przerzedzić chmurę punktów. W tym momencie kończy się etap przygotowania chmury punktów i moŜna
przejść do modelowania.
4. Modelowanie
Istnieje wiele sposobów tworzenia modeli na podstawie chmury punktów. PoniŜej
przedstawiono przykłady niektórych z nich:
• wykorzystanie chmury punktów jako zbioru wymiarów. Polega to na tym, Ŝe odczytuje się charakterystyczne wymiary na podstawie których sporządza się dokumentację techniczną skanowanego obiektu,
• wykorzystanie chmury punktów jako „kalki”. Zarejestrowane punkty tworzą zarys kształtu. Gdy obrysuje się charakterystyczne krawędzie otrzymuje się dokumentację techniczną obiektu,
• wykorzystanie algorytmów rozpoznających powierzchnię. Niektóre aplikacje takie jak np. Rapidfrom XOR pozwalają rozpoznać na chmurze punktów charakterystyczne powierzchnie. Algorytm rozpoznaje, które punkty tworzą np.
powierzchnię walca i automatycznie ją generują,
• wykorzystanie katalogu obiektów. Technika bardzo popularna przy tworzeniu
dokumentacji instalacji przemysłowych. Konstruktorzy tworzą katalog modeli
3D znormalizowanych części np. rur, zaworów itp. natomiast zadaniem oprogramowania jest rozpoznanie i dopasowanie części katalogowych do chmury
punktów. Technika ta wymaga poniesienia duŜych nakładów czasowych na
przygotowanie katalogu ale dzięki temu w błyskawiczny sposób chmurę punktów moŜna przekształcić w model 3D.
Rys. 1. Edycja chmury punktów za pomocą programu Autocad [opracowanie własne]
Fig. 1. Edition of the cloud of points in Autocad software [own study]
101
•
meshing. Polega na wygenerowaniu trójwymiarowego modelu ściankowego
składającego się z trójkątnych płaszczyzn (poligonów) na podstawie chmury
punktów. Automatyczna szybka metoda sprawdzająca się jedynie w przypadku
obiektów o nieskomplikowanym kształcie. Dodatkowo otrzymany model nie jest
parametryczny i dlatego modyfikacja raz wygenerowanego modelu jest bardzo
kłopotliwa.
Rys. 2. Przykład meshingu w programie Catia [opracowanie własne]
Fig. 2. An example of meshing in Catia software [own study]
Pomimo czasochłonności dwa pierwsze sposoby wydają się być najodpowiedniejsze dla
potrzeb wizualizacji środków produkcji małych i średnich przedsiębiorstw. Teraz pora
na wybór oprogramowania, które pozwoli przekształcić chmurę punktów na model
parametryczny. NaleŜy pamiętać, Ŝe celem jest stworzenie modelu linii produkcyjnej
i pod tym kątem został dokonany wybór prezentowanego oprogramowania. Istnieje
wiele zaawansowanych aplikacji, które pozwalają łatwo i szybko stworzyć model pojedynczego elementu ale nie radzą sobie z wielkogabarytowymi, złoŜonymi obiektami.
Wydaje się, Ŝe najtańszym rozwiązaniem jest zakup programu AutoCad oraz specjalnej
nakładki wspierającej obróbkę duŜej liczby punktów. Chmury punktów obiektów wielkogabarytowych liczą kilkanaście milionów współrzędnych, z których kaŜda reprezentuje co najmniej 4 parametry (połoŜenie w osiach X, Y, Z oraz natęŜenie odbitego
promienia). AutoCad nie został zaprojektowany do pracy z tak duŜą ilością danych, stąd
próba wczytania chmury punktów o takiej objętości kończy się zawieszeniem programu
nawet gdy dysponujemy wydajnym komputerem z kilkurdzeniowym procesorem, 8 GB
pamięci RAM i kartą graficzną dedykowaną dla programów typu CAD. Najczęściej,
wspomniane nakładki umoŜliwiają pracę z duŜymi chmurami punktów.
Do najpopularniejszych naleŜy zaliczyć: CloudWorx, Faro Cloud i Pointools Model.
Autor artykułu zdecydował się na uŜycie programu AutoCad 2009 Mechnical w połączeniu z nakładką Pointools Model 1.0. Dzięki nakładce moŜliwa jest praca w programie AutoCAD z chmurami liczącym ponad 100 milionów punktów. Rozszerza ona
takŜe program AutoCad o pakiet funkcji ułatwiających pracę z chmurą punktów. NajwaŜniejszą z nich jest moŜliwość tworzenia przekrojów chmury w dowolnej płaszczyźnie. Dzięki temu wyświetlane są tylko punkty naleŜące do wybranej płaszczyzny.
Tworzą one zarysy krawędzi, po obrysowaniu których powstaje przekrój zeskanowanego obiektu. Po wydaniu polecenia wyciągnięcia przekroju w przestrzeń powstaje model
3D. Tak w skrócie moŜna przedstawić sposób modelowania na podstawie chmury punktów w programie AutoCad z nakładą Pointools Model. Niekiedy okazuje się, Ŝe ilość
punktów w chmurze jest na tyle duŜa, a trójwymiarowy podgląd na tyle nieczytelny, Ŝe
nie jest moŜliwe rozpoznanie granic pomiędzy poszczególnymi płaszczyznami. W takiej
sytuacji przydatna jest funkcja kolorowania punktów w zaleŜności od odległości od
początku przyjętego układu współrzędnych względem wybranej osi. Dzięki temu na
ortogonalnym rzucie łatwo zobaczyć głębię i wyraźnie widać, które punkty leŜą na
102
jednej płaszczyźnie (co znacznie ułatwia obrysowywanie krawędzi). Program Pointools
Model umoŜliwia takŜe rozpoznawanie prostych kształtów powierzchni. Oprogramowanie to jest dostępne nie tylko w postaci nakładki ale takŜe w wersji samodzielnej
aplikacji Pointools View. RóŜni się ono niektórymi funkcjami od wersji Model. Spośród
ciekawszych funkcji występujących jedynie w Pointools View naleŜy wymienić następujące:
• moŜliwość dokonywania pomiarów odległości pomiędzy dwoma punktami. Co
więcej moŜna określić względem których osi ma być obliczona odległość,
• moŜliwość przełączania trybu wyświetlania pomiędzy widokiem perspektywicznym a ortogonalnym,
• moŜliwość generowania animacji (przelot kamery),
• moŜliwość wyświetlania chmury punktów w formie obrazu stereograficznego.
Rys. 3. Model stanowiska pracy wykonany w programie Catia [opracowanie własne]
Fig. 3. Workstation model created in Catia software [own study]
Znacznie droŜszą alternatywę dla AutoCada stanowi Catia. Posiada ona moduł Digitized Shape Editor umoŜliwiający pracę z chmurami punktów. W ramach modułu uŜytkownik otrzymuje rozbudowany zestaw funkcji do meshingu i edycji wygenerowanego
modelu. Program wygeneruje na podstawie chmury punktów powierzchnię zbudowaną
z poligonów a następnie umoŜliwi łatanie powstałych dziur, wygładzanie lub zmianę
błędnie utworzonych powierzchni. MoŜna takŜe tworzyć przekroje i rysować krzywe na
chmurze punktów. Podstawową wadą modułu jest jego niska wydajność w przypadku
chmur składających się z duŜej liczby punktów. Próbując wczytać dane składające się
z liczby przekraczającej 10 milionów punktów, naleŜy liczyć się z słabą płynnością
manipulacji nią w przestrzeni, długim czasem trwania meshingu a nawet zawieszeniem
się aplikacji. Co więcej, dla potrzeb modelowania linii produkcyjnej modele ściankowe
okazują się mało praktyczne ze względu na niską jakość odwzorowania rzeczywistych
kształtów złoŜonych obiektów. Aby mogły posłuŜyć jako modele trzeba poddać je po103
prawkom, których dokonanie zajmuje więcej czasu niŜ narysowanie ich od podstaw.
Niektóre programy takie jak np. wspomniany juŜ Rapidform XOR wykorzystują model
ściankowy jako etap pośredni pomiędzy chmurą punktów a finalnym modelem parametrycznym. Model ściankowy jest potrzebny by program mógł na drodze aproksymacji
wyznaczyć teoretyczną płaszczyznę i rozpoznać kształt krawędzi obiektów. Znacznie
lepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie innego modułu Catii - Part Desing. UmoŜliwia on projektowanie elementów od podstaw. Konstrukcję rysuje się w oparciu o znane
wymiary rzeczywistego obiektu odczytane z chmury punktów np. za pomocą programu
Pointools View. Jest to czasochłonna i prosta metoda, ale za to bardzo skuteczna.
Rys. 4. Chmura punktów przed i po obróbce danych [opracowanie własne]
Fig. 4. A cloud of points before and after the data handling [own study]
W dodatku nie zawsze potrzebne są bardzo szczegółowe modele. Często wystarczy
uszczegółowić tylko te, które mają istotny wpływ na przebieg procesu produkcyjnego.
Etap modelowania ma za zadanie stworzyć modele wszystkich istotnych elementów
linii produkcyjnej na podstawie chmury punktów. Biorąc pod uwagę opisywane metody
jest to bardzo Ŝmudny proces jednak w praktyce okazuje się, Ŝe są sposoby na jego
usprawnienie. Analizując wyposaŜenie hali produkcyjne moŜna zauwaŜyć, Ŝe poszczególne stanowiska zbudowane są z podobnych elementów a nawet tworzą gniazda produkcyjne. Nic więc nie stoi na przeszkodzie by stworzyć katalog elementów, które będą
wstawiane w odpowiednie miejsca i dopasowywane do chmury punktów. Co więcej, nie
wszystkie elementy trzeba modelować. Okazuje się, Ŝe coraz częściej dostawcy narzędzi udostępniają takŜe gotowe modele 3D swoich produktów, a produkowane wyroby
posiadają juŜ przecieŜ dokumentację techniczną na podstawie, której moŜna wygenerować model 3D. Gdy powstanie kompletny model linii produkcyjnej, moŜna przenieść
go do programu Delmia i rozpocząć symulację procesu produkcyjnego. Wachlarz moŜliwości jest dość szeroki. MoŜna sprawdzić czasy operacji, obciąŜenia stanowisk, ergonomię pracy, przetestować jak będą sprawdzać się usprawnienia linii produkcyjnej.
Jednym słowem otrzymuje się cyfrowy „poligon doświadczalny”, który pozwala na
polepszenie jakości planowania, dzięki moŜliwości przetestowania i niezawodnej oceny
wszystkich alternatywnych koncepcji we wczesnej fazie planowana przy jednoczesnym
obniŜeniu kosztów i czasu planowania. Idea nowoczesnego zarządzania polega na tym
by rozpoczynać produkcję na rzeczywistej linii dopiero, gdy produkt przejdzie poprawnie przez cyfrową linię produkcyjną.
104
5. Podsumowanie
Istnieje wiele metod obróbki chmur punktów oraz dostępny jest szeroki wachlarz oprogramowania umoŜliwiającego pracę z takimi zbiorami danych. Wybór sposobu tworzenia modelu 3D oraz oprogramowania, które w tym pomaga jest ściśle uzaleŜniony od
celu jakiemu ma słuŜyć model. W artykule przyjęto, Ŝe celem będzie stworzenie modeli,
które będą mogły być wykorzystane do stworzenia cyfrowej (wirtualnej) linii produkcyjnej dla potrzeb nowoczesnego narzędzia zarządzania, którym jest Cyfrowa Fabryka.
Tworzenie cyfrowej linii produkcyjnej składa się z dwóch głównych etapów. Pierwszym jest skanowanie a drugim modelowanie. W przypadku skanowania istotny jest
wybór skanera i sposób jego działania. Dla potrzeb modelowania stanowiska pracy
wykorzystano fazowy skaner laserowy. Zadaniem skanowania jest pozyskanie informacji o rozmiarach, kształtach i rozmieszczeniu obiektów w przestrzeni. Dane te są gromadzone w postaci chmury punktów. Przed rozpoczęciem modelowania naleŜy
odpowiednio przygotować chmurę punktów by skrócić czas modelowania i zwiększyć
dokładność wykonanych modeli. Do modelowania uŜywa się najczęściej programy typu
CAD. Najtańszym rozwiązaniem wydaje się być zakup programu AutoCad i nakładki
Pointools Model, która pozwoli wczytać i zapewni płynną pracę z chmurami punktów
przekraczającymi 100 milionów punktów. Modelowanie za pomocą takiego zestawu
moŜe wydać się prymitywne ale jest skuteczne i wykorzystywane nie tylko przez autora
artykułu. Alternatywą jest wykorzystanie modułu Digitized Shape Editor stanowiącego
integralną część Catii. NaleŜy jednak rozwaŜyć moŜliwość tworzenia modelu od podstaw w module Part Design w oparciu o wymiary odczytane z chmury punktów za pomocą samodzielnej aplikacji Pointools View. Zaletą takiego rozwiązania jest
kompatybilność modeli z programem Delmia, w którym mogą być przeprowadzane
symulacje funkcjonowania linii produkcyjnej. Jest to o tyle istotne gdyŜ podczas próby
importu plików w formatach *.iges i *.stl do innych aplikacji, pojawiają się przekłamania w geometrii obiektów, wynikające prawdopodobnie z róŜnych sposobów interpretacji danych zapisanych w tych plikach. Atykuł przedstawia jedną z wielu moŜliwości
postępowania podczas tworzenia modeli 3D w oparciu o chmury punktów dla celów
wizualizacji środków produkcji. KaŜdy jednak powinien wybrać sam odpowiedni dla
siebie zestaw oprogramowania, który pozwoli mu w szybki, dokładny i tani sposób
przetwarzać chmury punktów.
Literatura
1. Zülch G., Stowasser S.: The Digital Factory: An instrument of the present and the
future. Computers in Industry 56 (2005)
2. Bracht U., Masurat T.: The Digital Factory between vision and reality. Computers in
Industry 56 (2005)
3. Fabio R.: From point cloud to surface: the modeling and visualization problem.
International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information
Sciences, Vol. XXXIV-5/W10.
4. Azariadis P., Sapidis N.: Drawing curves onto a cloud of points for point-based
modeling. Computer-Aided Design 37 (2005)
5. Matuszek J., Gregor M., Kurczyk D., Zastosowanie wielkoformatowego skanowania
obiektów przemysłowych w procesach przygotowania produkcji. W: Komputerowo
Zintegrowane Zarządzanie Tom II pod redakcją Ryszarda Knosali. Oficyna Wydawnicza Polskiego Towarzystwa Zarządzania Produkcją. Opole 2009. Konferencja Zakopane 11-14.01.2009. s. 183-192. ISBN 978-83-923797-7-5
6. Broszura informacyjna FARO, www.faro.com, 21.04.2009
105
Streszczenie
Celem artykułu jest przedstawienie procesu tworzenia modelu 3D na podstawie chmury
punktów dla potrzeb nowoczesnego narzędzia zarządzania jakim jest Cyfrowa Fabryka.
W artykule scharakteryzowano etap skanowania oraz modelowania. Zaprezentowano
wybrane funkcje oraz wady i zalety takich programów jak Autocad, Pointools Model
oraz Catia pod kątem pracy z chmurą punktów.
Processing of clouds of points in processes of
creating 3D models
Summary
The main aim of this article is to present the process of 3D models creating, using the
cloud of points. The presented method is used as a modern tool of managing, called
the Digital Factory. Also, the article presents a functions, advantages and disadvantages of Autocad, Pointools Model and Catia software with respect to the work with
the cloud of points.
106