ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ LIDAR ДЛЯ СОЗДАНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ 3D МОДЕЛЕЙ

USING LIDAR TECHNOLOGY TO CREATE HIGH QUALITY 3D MODELS

Dmitriy Shutkov

student, Department of Instrumentation and Mechatronics, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

Oleg Vladimirovich

Scientific supervisor, head Departments of Instrumentation and Mechanics,  Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

Цели и задачи

1. Обзор технологии LIDAR:

Изучение принципов работы LIDAR, его истории развития и текущих технических характеристик.

2. Технические характеристики LIDAR:

Анализ различных типов LIDAR-систем, их разрешения, угла обзора, дальности, частоты сканирования и стоимости.

3. Методы сканирования и обработки данных:

Изучение методов сбора данных с использованием LIDAR и алгоритмов обработки этих данных для создания 3D-моделей.

4. Применение LIDAR в различных отраслях:

Исследование разнообразных областей применения LIDAR, таких как автономные транспортные средства, строительство, архитектура, археология, сельское хозяйство и др.

5. Преодоление технических ограничений:

Рассмотрение современных технологических ограничений LIDAR и поиск путей их преодоления или улучшения.

6. Будущее технологии LIDAR:

Прогнозирование будущего развития LIDAR, его потенциальных улучшений и новых областей применения.

Актуальность

Технология LIDAR (лазерного дальномера) имеет широкий спектр применений, и одним из важных направлений является создание высококачественных трехмерных карт. Вот несколько аспектов актуальности использования LIDAR: Автономные транспортные средства (АТС), Робототехника, Мониторинг окружающей среды, Строительство и геодезия.

Таким образом, использование технологии LIDAR для создания 3D-карт имеет большую актуальность в различных областях, обеспечивая высокую точность, детализацию и применимость в современных технологиях.

Что такое LIDAR

LIDAR (LIDAR) — от англ. Light Detection and Ranging «обнаружение и определение дальности с помощью света». Представляет собой лазерный локатор, использующий технологию испускания лазером волн оптического диапазона с дальнейшей регистрацией лазерных импульсов, которые были рассеяны объектами: лазерную (или оптико-электронную) локацию. Лазерная локация использует методы обнаружения и определения угловых координат объектов аналогичные используемым в радиолокации, однако имеет большую разрешающую способность и точность.

Основные компоненты LIDAR включают:

1. Лазер:

Источник монохроматического (обычно инфракрасного) света, который направляется на поверхность для измерения расстояний.

2. Приемник:

Регистрирует отраженные лазерные лучи от объектов.

3. Система времени:

Измеряет время, за которое лазерные лучи проходят до объекта и возвращаются обратно.

4. Система обработки данных:

Анализирует измеренные временные задержки и преобразует их в информацию о расстояниях и форме объектов.

Принцип действия

Принцип действия LIDAR заключается в том, что свет имеет постоянную скорость – скорость света (с = 3*10⁸ м/с) и отражается от объектов. Световые волны не только отражаются от объектов, но и рассеиваются, благодаря чему можно определить среду, в которую попал световой пучок.

Принцип работы LIDAR:

1. Излучение лазерного луча: LIDAR использует лазер для генерации коротких импульсов света, примерно 10^-9 секунд.
2. Излучение в окружающую среду и прием обратно отраженного сигнала: Лазерный луч направляется в окружающую среду, где происходит рассеивание, и отражение от объектов. Детектор на LIDAR фиксирует обратно отраженный свет. Время, прошедшее между моментом излучения лазера и приходом обратно отраженного сигнала, используется для вычисления расстояния до объекта, также по степени рассеивания может быть определен материал.
3. Измерение времени полета: LIDAR измеряет время, за которое лазерный луч возвращается обратно после отражения от объекта. Это время называется временем полета.
4. Вычисление расстояния: Расстояние до объекта рассчитывается, умножив время полета на скорость света и разделив результат на два (так как сигнал проходит путь туда и обратно).
5. Создание трехмерной карты: LIDAR сканирует окружающую среду, изменяя направление лазерного луча. По результатам измерений создается трехмерная карта объектов и их распределения в пространстве.

Рисунок 1. Принцип работы лазерного детектора

Применение технологии LIDAR в разных отраслях

• LIDAR в беспилотных автомобилях

LIDAR играет ключевую роль в технологии беспилотных автомобилей, обеспечивая точное восприятие окружающей среды и безопасное управление на дороге. Они позволяют автомобилю измерять расстояния до объектов, создавать трехмерные карты окружающей среды, а также работать в условиях низкой освещенности и темноте. LIDAR интегрируется с другими сенсорами, такими как радары и камеры, для создания полного обзора окружающей среды. Это способствует повышению уровня безопасности и надежности беспилотных автомобилей, что является ключевым аспектом разработки автономных транспортных средств. Излучатель LIDAR генерирует вертикальную полосу лазерных лучей, обычно их от 16 до 128. Далее для создания полной картины с охватом 360° лазер совершает несколько оборотов вокруг своей оси в секунду.

• LIDAR в картографии и в геодезии

LIDAR в картографии и геодезии широко используется для создания высокоточных трехмерных моделей местности и сбора геопространственных данных. Они помогают в создании точных топографических карт, измерении высот, лесоведении, экологических исследованиях, городском планировании и мониторинге инфраструктуры. LIDAR также применяется в геодезическом мониторинге для отслеживания деформаций земной поверхности и в картировании после природных катастроф для оценки ущерба и планирования восстановительных мероприятий. Их использование обеспечивает высокую точность и эффективность в сборе данных о поверхности Земли, играя важную роль в различных областях науки и промышленности.

Разработка и описание устройства на основе технологии LIDAR.

В своей работе я предлагаю использовать 32х канальный LIDAR с парами «лазер – лавинный фотодиод» с углом обзора 60° на подвижной платформе с углом поворота 75°. LIDAR будет снимать более 1000 точек в секунду

В паре с LIDAR для создания более качественной модели необходимо использовать камеру. С камеры будет считываться информация о цветах и освещенности, также при помощи нейросети я хотел бы реализовать создание текстур в реальном времени при помощи камеры.

Я предлагаю сделать портативное устройство на основе камеры и LIDAR в небольшом корпусе, помещающимся в руке. Записывающие элементы необходимо поместить за герметичное стекло для того, чтобы они не подвергались пагубным внешним воздействиям. Внутрь корпуса необходимо интегрировать аккумулятор для питания всей электроники и Bluetooth модуль для подключения к телефону или компьютеру.

• Структурная схема устройства

Рисунок 2. Структурная схема устройства

• Описание работы программного обеспечения

Принимать и обрабатывать сигнал будет телефон или компьютер, а точнее программное обеспечение, далее ПО. Программа должна работать так:

1. Данные с LIDAR поступают в ПО, каждую секунду
2.  Данные с LIDAR анализируются:
   • При помощи камеры по технологии AR точки закрепляются за своей позицией в пространстве.
   • Программа будет соединять ближайшие друг к другу точки, создавая некую сетку.
   • Если точки стоят в одной линии (Рис. 3), то лишние точки удаляются, образуя прямую с двумя крайними точками (Рис. 4).

Рисунок 3. Линия, состоящая из множеств вершин

Рисунок 4. Линия, состоящая из двух вершин

• Так же происходит с точками на плоскости, лишние точки удаляются, оставляя крайние (Рис. 5 а и 5 б).

а)                                        б)

Рисунок 5. а) Плоскость, состоящая из большого количества точек; б) Плоскость, состоящая из четырех точек

• Необходима гибкая настройка минимального расстояния между двумя точками, например, настройка минимального расстояния между точками в 0.001 м (Рис. 6 а) и 0.01 м (Рис. 6 б).

а)                                           б)

Рисунок 6. а) Болт с минимальным расстоянием между точками 0,001 м; б) Болт с минимальным расстояние между точками 0,01 м.

• В настройках программы выставляются настройки точности посредством изменения минимального угла, например, на рисунке (Рис. 7 а) минимальный допустимый угол равен 50°, а на рисунке (Рис. 7 б) угол равен 4°. Это в свою очередь будет влиять на точность конечной модели и на объём памяти, которую она будет занимать.

а)                                                б)

Рисунок 7. а) Минимально допустимый угол 50°; б) Минимально допустимый угол 4°

• В конечном итоге преобразуя данные, полученные в виде (Рис. 8 а) в упрощенные данные вида (Рис. 8 б) или в любой вид, согласно выставленным настройкам.

а)                            б)

Рисунок 8. а) Данные до преобразования в высоком разрешении; б) Данные после преобразования в низком разрешении

3. Запись данных с LIDAR производится с временной шкалой, параллельно с записью данных LIDAR записывается видео с той же временной шкалой.
4. Готовая сетка сопоставляется с видеорядом благодаря встроенной в ПО нейросети, добавляя к готовой сетке текстуры.
5. На выходе мы получаем готовую 3D модель в выбранном расширении.

• 3D рендер устройства

Примерный внешний вид устройства показан на рисунке (Рис. 9)

Рисунок 9. 3D рендер устройства

Список литературы:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%B4%D0%B0%D1%80
2. https://solarlaser.com/wp-content/uploads/2020/11/LIDAR-SOLARLS-2020-10-10.pdf
3. https://learnc.info/blog/lidars.html
4. https://ao.iao.ru/ru/content/text?vol=2&issue=02&num=15
5. https://www.npk-photonica.ru/info/reading/23153/