01精度評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

三維捕捉行業(yè)還沒有建立一個(gè)用于估算或驗(yàn)證移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)精度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要高精度交付成果的專業(yè)人士很難相信設(shè)備所標(biāo)注的精度規(guī)格，也就很難知道基于SLAM的移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)是否適合當(dāng)前的項(xiàng)目。

NavVis將通過(guò)展示一種嚴(yán)格、可靠和基于測(cè)量的方法來(lái)驗(yàn)證移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)產(chǎn)生的點(diǎn)云的準(zhǔn)確性，從而解決這一問題。

02精度驗(yàn)證基準(zhǔn)點(diǎn)

評(píng)價(jià)測(cè)繪設(shè)備的精度時(shí)，通常與行業(yè)認(rèn)可的高精度設(shè)備進(jìn)行比較。本次實(shí)驗(yàn)采用激光跟蹤儀作為參考系統(tǒng)，該系統(tǒng)專為亞毫米級(jí)精度的工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)平均偏差僅為0.08毫米。驗(yàn)證過(guò)程要求測(cè)試儀器的精度是掃描儀本身的三倍，因此激光跟蹤儀的99.7%（3σ）參考測(cè)量值精度應(yīng)高于NavVis VLX3的5毫米（1σ）精度。由于RAITEC的測(cè)量結(jié)果超出要求，因此這些參考數(shù)據(jù)可作為無(wú)誤的基準(zhǔn)點(diǎn)。

03如何驗(yàn)證移動(dòng)激光掃描點(diǎn)云的精度

相對(duì)方法（無(wú)GCPs）

使用處理軟件在沒有地面控制點(diǎn)（GCP）的情況下完成點(diǎn)云的最終處理，從而省去將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為指定坐標(biāo)系和優(yōu)化軌跡的額外步驟。此時(shí)生成的點(diǎn)云缺乏參照，軌跡優(yōu)化也不依賴于GCP提供的數(shù)據(jù)。

具體流程

在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)分布43個(gè)棋盤式目標(biāo)。

利用激光跟蹤儀對(duì)目標(biāo)中心進(jìn)行高精度測(cè)量。將任意兩目標(biāo)中心作為一個(gè)目標(biāo)對(duì)，計(jì)算這兩點(diǎn)之間的距離，一共產(chǎn)生903個(gè)距離值，以此作為參考值。

使用NavVis VLX 3掃描現(xiàn)場(chǎng)（不使用地面控制點(diǎn)），計(jì)算點(diǎn)云中所有目標(biāo)對(duì)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離。

使用另外的11臺(tái)VLX3重復(fù)上一步驟，得到12個(gè)點(diǎn)云模型和其目標(biāo)對(duì)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離測(cè)量值。

將每個(gè)點(diǎn)云中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離測(cè)量值與參考值進(jìn)行比較，從而獲得偏差數(shù)據(jù)，進(jìn)而說(shuō)明未參照（相對(duì)）點(diǎn)云的精度。

絕對(duì)方法（GCPs)

使用GCP完成點(diǎn)云的后處理，將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)系。在此過(guò)程中，SLAM算法利用GCP的已知位置優(yōu)化移動(dòng)軌跡進(jìn)而提升點(diǎn)云模型精度。

具體流程

使用與前述相對(duì)方法中相同的NavVis VLX 3原始數(shù)據(jù)，處理點(diǎn)云時(shí)采用激光跟蹤儀測(cè)量的GCP，確保與目標(biāo)坐標(biāo)系一致。

數(shù)據(jù)的精度驗(yàn)證可以通過(guò)多種方式進(jìn)行：

提取點(diǎn)云中每個(gè)棋盤式目標(biāo)的中心坐標(biāo)，并與參考坐標(biāo)進(jìn)行比較。

進(jìn)行相對(duì)點(diǎn)云的比較，提取所有可能目標(biāo)對(duì)中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離，并將結(jié)果與參考值進(jìn)行對(duì)比。

確定控制點(diǎn)的影響

在驗(yàn)證NavVis VLX 3成果點(diǎn)云的精度時(shí)，針對(duì)同一原始數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行了使用GCP和不使用GCP的兩種處理方法，這使得生成的最終點(diǎn)云具有可比性，我們可以量化使用GCP對(duì)點(diǎn)云精度的積極影響。

04評(píng)估NavVis VLX3精度的操作流程

1確定測(cè)試地點(diǎn)

測(cè)試地點(diǎn)為辦公樓的地下室，該地點(diǎn)墻壁堅(jiān)固固定、環(huán)境溫度穩(wěn)定、人流量極少、目標(biāo)不太可能被破壞或磨損，在這里我們可以控制各種變量以獲得可重復(fù)的結(jié)果，是一個(gè)理想的測(cè)試環(huán)境。

2目標(biāo)位置和分布

為創(chuàng)建可被激光跟蹤儀和NavVis VLX 3捕捉的參考標(biāo)記，使用了標(biāo)準(zhǔn)為15厘米x15厘米的棋盤式目標(biāo)，并在環(huán)境中隨機(jī)放置43個(gè)目標(biāo)，每個(gè)目標(biāo)用3毫米厚的DIBOND鋁板固定在墻上以防移動(dòng)。

棋盤目標(biāo)

用于精度估算的棋盤式目標(biāo)位置

3掃描

操作員使用NavVis VLX 3掃描場(chǎng)景大約需12分鐘，過(guò)程包括捕捉全景圖像和GCP。該采集過(guò)程快速高效，4個(gè)不同的操作員使用12臺(tái)VLX 3,共掃描12次進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估VLX3對(duì)不同操作員的準(zhǔn)確性。

4目標(biāo)和線條提取

使用三維數(shù)據(jù)處理軟件從目標(biāo)中提取中心點(diǎn)。當(dāng)技術(shù)人員選取接近目標(biāo)中心的點(diǎn)時(shí)，軟件會(huì)使用可靠的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)算法計(jì)算出真正的中心點(diǎn)并提供坐標(biāo)。

一共43個(gè)目標(biāo)，任意兩點(diǎn)連成一條線段，我們可以提取出903條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)線段。計(jì)算得出的目標(biāo)之間的距離從10厘米到50米不等。

俯視圖 - 點(diǎn)距離線條

三維視圖 - 點(diǎn)距離線條

不同距離的線條數(shù)量

5檢查異常值

手動(dòng)檢查距離測(cè)量值，剔除異常值或修改軟件操作誤差。

05驗(yàn)證結(jié)果

相對(duì)方法（無(wú)GCPs）的結(jié)果

直方圖顯示每個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量距離與參考值的偏差，其中紅線表示68%的誤差為3.1毫米，意味著68%的距離測(cè)量值與參考值的偏差在3.1毫米或以下；綠線表示NavVis VLX 3的5毫米精度，顯示87%的距離測(cè)量值與參考值的偏差在5毫米以內(nèi)。

絕對(duì)方法（GCPs）的結(jié)果

在絕對(duì)方法中，我們使用NavVis VLX 3的GCP功能處理所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，值得注意的是，我們并沒有考慮操作員掃描時(shí)手動(dòng)對(duì)準(zhǔn) GCP 的準(zhǔn)確性和精確度，即便如此，NavVis VLX 3依然呈現(xiàn)了高精度的點(diǎn)云模型。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)比較：絕對(duì)點(diǎn)與參考點(diǎn)

下圖說(shuō)明了點(diǎn)云中的目標(biāo)中心與基準(zhǔn)點(diǎn)的偏差程度。所有異常值均已去除。

在478個(gè)觀測(cè)值中，平均偏差為2.8毫米，中位數(shù)為2.5毫米。

各個(gè)NavVis VLX 3測(cè)得的目標(biāo)中心的3D偏差

絕對(duì)方法中的測(cè)量距離與參考值的比較

直方圖顯示每個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量距離與參考值的偏差，其中紅線表示68%的誤差為2.1毫米，意味著68%的距離測(cè)量值與參考值的偏差在2.1毫米或以下；綠線表示NavVis VLX 3的5毫米精度，顯示97%的距離測(cè)量值與參考值的偏差在5毫米以內(nèi)。

06結(jié)論

經(jīng)測(cè)試，所有12個(gè)NavVis VLX3 設(shè)備的性能均優(yōu)于規(guī)格表中的說(shuō)明。

即使不使用GCP，在這種測(cè)試環(huán)境中，68%（ ~1σ）的可信度下， 精度也可達(dá)到 3.2 毫米。下表匯總了上文描述的距離測(cè)量結(jié)果。

滬敖3D是一家致力于三維數(shù)字化行業(yè)解決方案的技術(shù)型企業(yè)，擁有豐富的三維項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，公司以行業(yè)應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，為客戶提供三維數(shù)字化采集、三維數(shù)據(jù)處理、三維數(shù)據(jù)管理等一系列應(yīng)用服務(wù)。目前主要服務(wù)于制造業(yè)（汽車、航空航天、船舶、模具、鑄造以及各種機(jī)械）、建筑業(yè)（建筑設(shè)計(jì)、施工、裝修等）、文化遺產(chǎn)（博物館、古建筑、考古等）、數(shù)字化工廠、警用公共安全、影視制作、教育等行業(yè)。提供質(zhì)量檢測(cè)、三維建模、逆向工程、數(shù)字存檔、GD/T分析、有限元分析、虛擬安裝、干涉分析、工程測(cè)繪、形變監(jiān)測(cè)、3D打印等技術(shù)方案。