В nanoCAD Plus 7, который вышел 18 мая 2015 года появился ряд функций, существенно расширяющих область применения и позиционирование платформы nanoCAD. Мы предлагаем вниманию наших читателей ряд технических статей, в которых подробнее погружаемся в эти функции, рассматриваем, какими возможностями они обладают и как их можно применить на практике. Эта статья посвящена комплексу функций, объединенных общим названием Облако точек.

Введение

Что такое «облако точек»? Это множество точек в трехмерном пространстве, полученных в результате 3D-сканирования объекта реального мира и представляющих поверхность этого объекта. 3D-сканирование реализуется специализированными устройствами – 3D-сканерами, которые в автоматическом режиме замеряют большое количество точек на поверхности сканируемого объекта и создают на выходе облако точек (рис. 1). Выходные данные 3D-сканера содержат координаты XYZ и метаданные, зависящие от типа 3D-сканера. Под метаданными понимаются специфические данные, являющиеся побочным продуктом процесса измерения координат точек. К примеру, для активных бесконтактных сканеров таковыми будут интенсивность отраженного сигнала, количество отражений, время фиксации точки, цвет поверхности и т.п. Объем и качество данных зависят от применяемого 3D-сканера. Хранение и обработка облаков точек привносят дополнительные, пользовательские метаданные (атрибуты): класс (код) точки, нелокальные геометрические характеристики (псевдонормаль, топологические показатели) и т.п.

Рис. 1. Облака точек получаются в результате 3D-сканирования объектов
^{Изображение взято из статьи Н. Пелевина «Какие типы 3D-сканеров существуют?»}

Качество облака напрямую зависит от качества 3D-сканера, его разрешающей способности, точности и скорости сканирования. Понятно, что серьезные задачи требуют серьезных устройств, но на сегодня источником облака может служить даже популярный сенсор Kinect игровой приставки Microsoft XBOX, который у многих обитает под домашним телевизором и посредством пары незамысловатых датчиков формирует трехмерное изображение. Технологии становятся доступнее с каждым днем – именно этим и объясняется интерес к облакам точек.

Зачем ни нужны? В первую очередь облака точек обеспечивают быструю визуализацию интересующего вас объекта реального мира. Но, конечно, только этой областью они не ограничиваются – облака точек успешно используют для изменений и контроля, 3D-печати, виртуализации труднодоступных мест или больших протяженных объектов, создания трехмерных и математических моделей, распознавания образов, а также при автоматизированном анализе, реконструкциях и эксплуатации. Без сомнения, облака точек привносят много полезного и в системы автоматизированного проектирования: о некоторых направлениях мы поговорим в этой статье, а что-то, может быть, вы придумаете сами – нам кажется, что потенциал трехмерных облаков точек еще до конца не раскрыт и эта технология может стать отличным инструментом для решения ваших задач.

Облака точек в nanoCAD Plus

Итак, начиная с версии 7.0, поддержка облаков точек появилась и в отечественной САПР-платформе nanoCAD Plus. В частности, программный продукт получил дополнительный раздел меню, который объединяет функции импорта и отображения облаков точек (рис. 2). Первым пунктом идет функция импорта.


Рис. 2. Набор команд, который появился в nanoCAD Plus 7.0 для работы с облаками точек

Поддерживаемые форматы

Для начала давайте разберемся с тем, какие форматы поддерживает nanoCAD Plus 7.0. Команда Импорт предоставляет возможность загружать облака точек пяти популярных форматов: BIN (TerraSolid), LAS (ASPRS), PTX (Leica), PTS (Leica) и PCD (Point Cloud Library). Собственный модуль прямого импорта позволяет сохранить максимум информации из исходного файла.

Такой поход не просто делает работу более удобной – в процессе импорта пользователь может получать общую информацию об облаке точек, фильтровать импортируемые метаданные и проводить предварительную классификацию точек: по классу (коду), по отражению и т.д. Таким образом, данные уже приходят в САПР более упорядоченно (рис. 3).


Рис. 3. Прямая поддержка популярных форматов, с которыми работают 3D-сканеры, позволяет контролировать параметры импорта облака точек в САПР

Информация о привязке и настройке отображения облака точек сохраняется в *.dwg-файле.
В перспективе пользователи смогут сохранять облако внутри *.dwg-файла, как это было сделано в предыдущей версии nanoCAD Plus для растровых изображений. Такая возможность снижает риск потерять данные при передаче проекта сторонним исполнителям и заказчику.

Объем данных 3D-сканирования, поддерживаемых nanoCAD Plus

Количество точек в облаке зависит от разрешающей способности 3D-сканера. Вполне обычными считаются облака на 3-4 миллиона точек. Сверхбольшие облака содержат миллиард точек и больше – для обработки такого объема данных необходимы достаточно мощные компьютеры и специализированные алгоритмы.

В nanoCAD Plus 7.0 не предусмотрено никаких технических ограничений на объем облаков точек, а сами алгоритмы оптимизированы для обработки сверхбольших массивов – см. рис. 4, на котором приведены примеры работы с крупными облаками точек (файл-пример цеха (129 миллионов точек) получен с помощью сканеров компании Leica и предоставлен представителями этой компании).


Рис. 4. nanoCAD Plus 7.0 позволяет работать со сверхбольшими облаками размерностью 1 миллиард точек и больше

Отображение облаков точек

nanoCAD Plus позволяет настроить отображение импортированного облака точек – за это отвечает команда Режим отображения. Здесь можно настроить тип раскраски облака и размер точки – очень эффектно отображаются облака точек, раскрашенные по цвету сканирования (рис. 5). Фактически получаются трехмерные фотографии отсканированных объектов, по которым можно прогуляться, встроить их в существующую 3D-модель и даже использовать привязки к точкам облака при любых построениях. Стоит отметить, что этот функционал открыт для вертикальных приложений, загружаемых в nanoCAD Plus. А разработчики таких приложений могут использовать обширный программный интерфейс для доступа к информации о точках облака и их параметрах.


Рис. 5. Облака можно раскрасить в соответствии с метаданными точек: по цвету сканирования, высоте, интенсивности, углу сканирования и т.д.

Если у вас установлен nanoCAD Plus 7.0, вы можете сами побродить в облаке точек – папка примеров содержит в формате *.dwg несложную модель с фильтрационным оборудованием. Попробуйте поменять у нее цвет, толщину точек, походить по модели в режиме перспективной навигации. В этой же папке вы найдете и другие примеры трехмерных точечных проектов.

Операции над облаками точек

Что можно делать с облаками точек, кроме визуализации? Если теоретизировать, то число полезных функций окажется просто огромным: можно сравнивать модели, определяя коллизии, вычленять объекты по определенным признакам (например, по метаданным), классифицировать группы точек по различным признакам, сшивать-разрезать облака точек по этим или дополнительным признакам, распознавать поверхности и объекты…

Но все эти задачи – функционал узкоспециализированных решений, специфичных для конкретной предметной области. В nanoCAD Plus 7.0 набор инструментов для работы с облаками точек несколько скромнее и рассчитан на массовое применение. В частности, платформа позволяет выполнять:

• обрезку облаков точек по прямоугольникам либо по полигону. Это позволяет сократить размер облака, с которым пользователь работает в данный момент, и вычленить из облака точек нужную для работы модель;
• построение вертикального или горизонтального сечения по облаку точек. Например, с помощью этой функции можно получить сечение здания либо поверхность земли (рис. 6);
• привязку к ближайшим точкам сечения и геометрические построения по сечению облака точек.

Рис. 6. Сечение, построенное по облаку точек в nanoCAD Plus 7.0

Какое же практическое применение имеют эти инструменты? Одним из приемов работы с функционалом сечений и клипов является сегментирование облака точек для того чтобы организовать удобную работу с целевым участком пространства, убрав влияние других частей облака. В дополнение к этому функционал привязок к облаку точек позволяет эффективно опираться на точки для проведения измерений, трассировки трехмерных объектов и даже трехмерного моделирования. Привязываясь к точкам облака, можно использовать возможности всех штатных команд nanoCAD для измерения расстояний и длин, периметров и площадей.

Для трассировки проекций трехмерных объектов в сечениях облаков точек применим широкий набор имеющихся чертежных средств nanoCAD, ну а для трехмерных построений с использованием геометрии облаков точек к вашим услугам весь функционал нового модуля 3D-моделирования.

Примеры работ с облаками точек

Применяя к данным, полученным из облаков точек, дополнительные алгоритмы, можно решать более интеллектуальные задачи. Например, вот видео оцифровки фасадов зданий в Венеции (с помощью мобильной лазерной системы сканирования RIEGL VMX-250) и дальнейшего анализа фасадов на результаты деформаций и последствия действий вандалов:

Пример использования облаков точек для автоматизированного анализа фасадов зданий в Венеции

А вот пример оцифровки Большого каньона (США) с помощью сканеров RIEGL VZ-4000 – посмотрите, как создаются трехмерные модели:

Практическое сканирование на примере создания трехмерной модели Большого каньона

Трехмерное сканирование позволяет описывать модели труднодоступных объектов – например, заброшенных шахт:

Пример создания трехмерной модели заброшенной шахты

Кроме того, в Интернете вы найдете массу других примеров оригинального применения технологии облака точек. Решение всех этих задач стало возможным благодаря развитию программного и аппаратного обеспечения.

Заключение

Вот какая интересная технология реализована теперь в платформе nanoCAD Plus. Кто-то скажет, что пока направление 3D-сканирования носит скорее рекламный характер. Отчасти соглашусь – эту технологию можно еще развивать и совершенствовать. Собственно, именно к этому мы и призываем – давайте находить практические задачи, в которых востребованы технологии трехмерного сканирования, распознавания образов и интеллектуальной обработки данных. Мы готовы к сотрудничеству.

А уже сейчас можно загружать облака точек, строить сечения, проводить измерения, выполнять трассировку трехмерных объектов. Этот функционал доступен в nanoCAD Plus, причем опробовать его вы сможете и в демо-режиме. Таким образом, стартовый набор инструментов у вас есть. Хороших проектов!