Исследователи выделяют несколько временных фаз, в рамках которых развивалось лазерное сканирование (фазы накладываются друг на друга, образуя транзитные периоды):
- 1957-1987 гг. – изобретение лазера, использование в сфере космических исследований и в сфере обороны;
- 1979-1998 гг. – передача технологий из государственной в бизнес-среду, начало коммерциализации лазерных технологий;
- 1993-2010 гг. – гибридизация, появление первых общедоступных 3D-лазерных сканеров;
- 2005г. – настоящее время – появление ручного 3D-лазерного сканера, формирование массового рынка оборудования и программного обеспечения.
Развитие трехмерного лазерного сканирования началось, как это часто бывает в мире технологий, в космической и оборонной сферах. Начало холодной войны и космической гонки дало старт разработкам в области дистанционной навигации, которые бы использовались в средах, враждебных человеку – зонах боевых действий и космосе. Одну из главных ролей в этом сыграли Агентство по перспективным научно-исследовательским проектам министерства обороны США (DARPA) и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), которые были основными источниками финансирования исследований в области наземного лазерного сканирования на первоначальном этапе. Так, DARPA финансировала проекты наземных транспортных средств с автономной системой управления, в которых лазерный сканер был частью системы машинного зрения, используемой для навигации и моделирования ландшафта.
Рис.1 Наземное транспортное средство с автономной системой управления
Одним из главных событий, повлиявших на судьбу индустрии лазерного сканирования, стало принятие в 1980 г. в США закона о технологических инновациях Стивенсона-Уайлдера. Согласно ему все технологии, находившиеся в федеральном ведении, передавались властям штатов, местным органам и частным компаниям, и с этого момента развитие лазерных технологий предопределила конкуренция команд-разработчиков. На этом этапе исследователи выделяют четырех основных производителей лазерных сканеров: Mensi (Франция), Riegl (Австрия), Cyra (США), K2T (США).
Mensi фактически была первой компанией, разработавшей 3D-лазерный сканер в начале 90-х гг. Он работал по принципу оптической триангуляции и изначально создавался для получения точных изображений внутренних пространств атомных электростанций, предназначенных к выводу из эксплуатации. Сканеры Mensi имели малый радиус действия и были относительно медленными (~100 точек/сек). Обычное сканирование занимало час. Сканер можно было использовать только в условиях низкой освещенности, что означало невозможность использования в дневное время на открытом воздухе. Сильными сторонами сканера были высокая точность на небольшом расстоянии и хорошее поле зрения. На малой дистанции (менее 5 м) эти сканеры обеспечивали наивысшую точность, но с увеличением дальности точность быстро падала, поэтому практическая максимальная дальность для сканера Mensi большого радиуса действия составляла примерно 15 м. Также Mensi предлагала пользователям своего сканера многофункциональное, но сложное в освоении программное обеспечение 3Dipsos.
Riegl подошла к созданию своей версии 3D-лазерного сканера, модели LMS-Z210, имея большой опыт в производстве лазерных дальномеров. LMS-Z210 обеспечивал большую (до 350 м) дальность действия, высокую (~9 000 точек/сек) скорость сканирования, хорошее поле зрения (80° по вертикали x 340° по горизонтали), был устойчив к воздействию внешних факторов и надежен в работе. Но были у него и свои недостатки – не очень высокая точность, плотность сканирования также была ниже, чем у разработчиков-конкурентов, Cyra и Mensi. Исходя из этого Riegl предлагал его для использования на открытой местности, например, в карьерах, на площадках археологических раскопок и т.д. С программным обеспечением для обработки облаков точек также были сложности – первоначально Riegl его вообще не предлагала, покупатели Riegl пользовались ПО Cyra, обрезали облака точек для использования в CAD-приложениях, а некоторые дошли до того, что разработали собственное программное обеспечение для работы.
Разработкой компании Cyra был сканер Cyrax 2400, который она вывела на рынок в 1998 г., а уже в 2000 г. заменила на более компактную версию Cyrax 2500. Сканер Cyrax 2400 успешно применялся для работ, требовавших высокой (6 мм) точности измерения точек на расстоянии до 50 м. Скорость сканирования 1000 точек/сек. была не самой высокой, но и не самой низкой на раннем рынке. Основными недостатками сканера были небольшое поле зрения (40° на 40°), что требовало много отдельных итераций для сканирования определенных областей, вес и ненадежность аппаратной части. Но Cyra нашла нишу, в которой добилась конкурентного преимущества – она предлагала программное обеспечение для работы с облаками точек, которое в то время было широко востребовано среди компаний, занятых в гражданском и промышленном строительстве, реконструкции зданий, топографии. Исходное программное обеспечение CGP от Cyra представляло собой единый модуль, который позволял преобразовывать облака точек в геометрические примитивы и модели рельефа, а также включал функционал записи.
Рис. 2 Лазерный сканер Cyrax 2400
K²T был стартапом, появившимся из лаборатории робототехники университета Карнеги-Меллона, и первым предложил 3D-лазерный сканер, работавший на основе фазового метода. Главное преимущество этого метода — гораздо более высокая скорость сканирования: свыше 100 000 точек/сек. Сканер SceneModeler продавался на рынке всего около года, после чего компания переименовалась в Quantapoint и стала предлагать исключительно услуги 3D-сканирования. Одной из ключевых причин такого решения было то, что для работы со сканером требовались дополнительные меры защиты глаз, что резко ограничивало продажи. Кроме того, сканер имел малую дальность, данные сканирования были сильно искажены шумами, а сам он плохо подходил для работы на открытом воздухе. Хотя K²T продавала сканеры всего год, технология фазового метода легла в основу сканеров двух других известных производителей: немецких компаний Z+F и iQvolution/iQsun (последнюю в 2005 году приобрела Faro). Z+F выпустила свой первый сканер в 2001 г., а iQsun — в 2003 г. До их появления максимальная скорость сканирования на рынке составляла 9 000 точек/сек у сканеров Riegl.
Активное развитие наземного лазерного сканирования и промышленных технологий с ним связанных, было обусловлено разными факторами, но два особенно обращают на себя внимание. Во-первых, это «перетекание умов», когда ученые и разработчики могли свободно взаимодействовать с научными центрами и университетами, занимающимися лазерными технологиями, по обе стороны океана. Создатели сканера SceneModeler Кристоф Фрёлих, Дирк Лангер, Маркус Меттенлейтер и Франц Хертль, работавшие в американском университете Карнеги-Меллона, начинали свою карьеру в Мюнхенском техническом университете и после стартапа K²T занялись разработкой линейки фазовых сканеров немецкой компании Z+F. Второй фактор – эффективное сотрудничество науки и бизнеса. Здесь показателен пример ученых Йоханнеса Ригла и Андреаса Ульриха. Оба они закончили Венский технический университет, где Ригл долгое время занимался исследованиями в области лавинных генераторов импульсов, а Ульрих защитил диссертацию по оптическому допплеровскому радару с высоким разрешением. В 1978 году Йоханнес Ригл основал уже упомянутую Riegl, техническим директором которой стал Ульрих.
Рис. 3 Андреас Ульрих (слева) и Йоханнес Ригл со сканером LMS-Z210
Развитие 3D-лазерных технологий сыграло также значительную роль в улучшении точности и достоверности CAD-моделей. Традиционные методы сбора данных для CAD заключались в сборе отдельных точек с поверхности объекта, лазерное сканирование же позволило в буквальном смысле делать цифровой слепок, захватывая мельчайшие детали. К концу 90-х – началу 2000-х гг. графические процессоры персональных компьютеров стали достаточно мощными, чтобы упростить работу с облаками точек, появились открытые стандартные интерфейсы программирования приложений. Информация на основе облаков точек стала доступнее широкому кругу пользователей благодаря графическим ускорителям (GPU) и компаниям вроде AMD и NVIDIA. До этого все обрабатывалось центральным процессором и специализированными наборами микросхем, а производители, такие как IBM, рассматривали персональные компьютеры главным образом как инструменты для научных исследований или бизнес-приложений, а не как оборудование для решения сложных визуальных задач.
С течением времени сфер, в которых стало возможно применять 3D-лазерное сканирование, стало больше – не только проектирование, строительство, геодезия, археология и реконструкция культурных объектов, но и промышленное производство, автомобиле- и самолетостроение, машиностроение. Соответственно, рынок начал требовать более компактных устройств, с которыми было бы удобнее работать в закрытых помещениях и с меньшими по размеру объектами измерений. В середине 2005 г. канадская компания Creaform представила первый в мире ручной лазерный сканер HandyScan 3D. Он работал с помощью оптической трекинговой системы на основе меток, которая позволяла сканировать без жесткой фиксации сканера в пространстве. Это стало технологическим прорывом.
Первый ручной лазерный сканер Handyscan от Creaform
Продолжение в ближайших материалах.
