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SLAM 和移动扫描之权威指南

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什么是 SLAM?

它的工作原理是什么,对移动3D扫描有什么影响?

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同步定位与地图构建(SLAM)并不属于某个特定的软件应用程序,甚至算不上是单个的算法。SLAM 是对一项技术流程的广义命名。该技术开发于1980年代,让机器可以在没有地图支持的情况下在新的环境中自动导航。

自主导航需要确定机器所在环境中的位置,同时生成该环境的地图。满足这些条件非常困难,因为机器要有该环境的地图才能估计其自身位置。而机器又只有知道自己的位置时才能生成地图。

基于这一无止境的循环问题,SLAM 有时也被称为“先有鸡还是先有蛋”问题。

SLAM 的工作原理是什么?

SLAM 的运行方式有很多。但还好我们仍然可以对它的一些基本理念进行概括。

以下是对 SLAM 的一个极简化定义:在启动机器时,SLAM 技术将融合机器机载传感器里的数据,并使用计算机视觉算法对其进行处理,以“识别”周围环境的特征。这使得 SLAM 可以粗略地构建地图,并可以对机器的位置进行初步估算。

SLAM 会在该机器移动时计算它的初始位置,从系统的机载传感器中收集新数据,并进行新的(和改进后的)位置评估。机器一旦有了新的位置评估,便会依次更新地图,从而完成一次循环。

通过连续重复以上步骤,SLAM 可以跟踪机器在资产中移动的路径。同时,它还会绘制详细的地图。

SLAM 的演变历程

随着1980年代以来计算功能的飞速增长——且不说Google等公司提供的可免费下载的代码——如今的 SLAM 已经被广泛用于各种应用程序中了。实际上,几乎在每一个需要实时3D地图操作应用程序的机器中都可以看到它。

以下是一些依赖 SLAM 技术的应用程序:

  • 自主消费机器人技术(如无人机或扫地机器人)
  • 自动驾驶汽车
  • 智能手机增强现实应用
  • 移动3D扫描系统

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SLAM 和移动扫描

接下来我们来讨论以下对我们来说最重要的 SLAM 应用:移动扫描系统。您可以将这些工具视为旨在提供最佳建筑文档工作流程的激光扫描仪。

移动扫描系统把高度校准后的传感器和针对扫描进行了优化的 SLAM 技术相结合。这些工具使您可以在行走时捕获3D点云和全景图像。它们为大型资产和复杂的环境(例如工厂运行现场和办公室)提供快速,全面的文档记录。

您可能还会看到这些设备:

  • 室内移动扫描系统(IMMS)
  • Walkaround 移动扫描系统
  • SLAM 激光扫描仪

但它们本质上都是一样的。

这些设备不应该与另一种移动扫描系统混淆,即可以安装在车辆顶部以进行大型户外捕获项目的系统。

→ 想要了解有关移动扫描设备组成部分的更多信息,包括设备外形尺寸以及构成它的各种传感器等,请点击这里。

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SLAM 在移动扫描中的作用是什么?

SLAM 是让扫描系统无需三脚架即可工作的“秘密武器”。

SLAM 技术融合了移动扫描系统上的传感器数据,以在您巡视资产时记录您的位置。您可以将此轨迹上的每个位置视为一个“虚拟三脚架”,软件在处理阶段会使用该“虚拟三脚架”确保每一个点云位置的准确性。

您可以在这里找到 SLAM 的更多技术说明,以及它与移动扫描相关的工作方式

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为什么应该重视 SLAM

通过支持移动扫描技术的开发,SLAM 帮助我们在建筑物文档构建技术方面合理地迈进了一步。

长期以来,人们都是用经纬仪或卷尺之类的仪器手动创建建筑文档。1980年代才有了第一个全站仪,能以更快的速度和极高的精度捕获场点。2000年代出现了架站激光扫描仪(TLS)。相比于之前设备一次捕捉一个点,架站仪能够一次捕获数百万个点,将文档记录工作流程提至新高度。

2015年,首批使用 SLAM 的移动扫描系统问世。这次该技术又有了新的突破-他们可以在操作员移动时捕获数百万个点,不再像架站仪那样局限于一个固定位置。最重要的是,这一技术还包括无需其他辅助设备即可捕获360°全景的RGB相机。

快速捕捉

架站仪工作流可能需要为单个项目设置数十次扫描程序的时间(如果建筑资产特别庞大,则可能需要数百次)。移动扫描则省略了这一步骤,从而大大加快了工作流程。在项目的经典案例中,我们观察到扫描速度提高了10倍以上。

快速注册

由于架站仪一次只能捕获一小块区域,因此您需要将扫描部分组合起来以生成最终的点云。您可以通过重叠扫描来完成此操作,但扫描速度将会减慢,因为您需要将架站仪移至下一个距离不能太远的站点。您还可以利用控制点,但这种方法复杂且费时。

移动设备则可以连续扫描,有时候在您需要开始另一次扫描之前便可覆盖高达3,000平方米的扫描面积。这使扫描人员能够更轻易得确保扫描完全覆盖。

综合数据

由于激光扫描仪只能捕获其视线范围内的内容,因此如果架站仪要避免障碍物的扫描和数据中出现空白点,则需要将设备移至新的地方。而移动设备则能让您绕过障碍物,弥补您的扫描空缺并可以随身携带。

直观,逼真的记录

市场上顶尖的移动扫描仪使用激光雷达和RGB相机的组合来捕获建筑物色泽密度高、真实感极强的3D数据集。这些实景漫步让即使是完全不熟悉点云的人员也能直观地进行导航,探索和测量。

实时反馈

带有平板显示屏的领先移动扫描仪将为您显示扫描的质量,并提供实时反馈。遗漏了一处地方?屏幕将提示您,让您可以立即弥补缺陷。

移动扫描 vs 架站激光扫描仪

对比它们的工作流程以及它们如何满足您的项目要求

为了说明 SLAM 和移动扫描系统的优势,让我们看一下它在扫描普通办公环境时与架站仪相比之下的性能。

以下您将看到使用架站仪和基于测绘点的位置信息登记来捕获此复杂空间所需的设置说明。在每个门框中添加额外的设置以进行点云对准(但您也可以花更多时间设置测绘点)。如果装修物体阻碍了扫描仪的视野,您可以添加其他设置,以捕捉如窗框之类的细节。

用架站仪最快可以在20分钟内扫描该空间,但是鉴于上面列出的其他因素,它可能要花费更多时间。

使用移动扫描工作流程,您可以抛开三脚架,步行穿过需要捕捉的空间。您可以快速行动,并确保扫描的全面覆盖。

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对你的公司的好处

通过实现上面讨论的快速和灵活的工作流程,SLAM和移动扫描系统可以对你的业务产生长期影响。在你的工具包中加入移动扫描仪可以帮助你留住现有客户并获得新客户,这将有助于你的业务增长。

SLAM 可以为您的业务做些什么

启用以上的快速、灵活的工作流程,SLAM 和移动扫描系统将对您的业务产生深远的影响。将移动扫描仪添加到您的工具集中可以帮您保留现有客户并获得新客户。我们专注于帮您发展业务。

提高效率

以更低的成本完成更大规模的项目,并利用您现有的资源承接更多的项目。

减少客户干扰

快速开启和完成项目减少扫描所需的停机时间,并赢得医疗保健,制造业等敏感行业的新客户。

扩大服务和产品范围

为您的客户提供移动扫描仪生成的完全沉浸式的360°实景漫游。让您的服务列表比竞争对手更具吸引力。

增加灵活性

以低成本生成高质量数据集来满足对价格敏感的客户的需求。

突出竞争优势

通过提高效率,灵活性和服务质量,并减少对客户的干扰,您的业务将在竞争对手中脱颖而出。

免费白皮书

了解NavVis VLX与静态扫描仪相比有多精确。

常问问题

现在您已经了解了 SLAM 和移动扫描系统的基础知识,您还可能会遇到一些更深的技术问题。以下我们将回答一些最常见的问题。以后我们还会更新此部分并提供更多答案,敬请期待。

想要了解移动扫描,我需要知道哪些技术?

我们在这里整理了一个简短的词汇表,用通俗易懂的语言解释了所有技术术语。

移动扫描系统的精确度如何?

简版回答:可生成适用于建筑现状文档的可靠数据的强大系统。在一个案例分析中,我们用 NavVis VLX 在停车场进行了一次测试扫描。通过将闭环扫描应用于误差矫正,该团队以8毫米的绝对精度将数据验证为一个∑标准差。通过闭环扫描和控制点优化,绝对精度被提高至了6mm。

这意味着您可以放心地将数据用于LOD 300 BIM 或比例大至1:50的平面图。

更复杂版本的回答是:

移动扫描仪的绝对精度很难用单个数字来定义。这是因为他们使用 SLAM 技术来处理最终点云-SLAM 的性能取决于许多现场情况的因素,例如扫描环境的几何形状。(因此您经常看到规格表上列出的绝对精度的数字是一个范围,如6-15毫米。)

在供应商就任何给定的移动扫描仪的准确性做出一般性陈述之前,他们必须先在各种情况下广泛测试该设备,并查看系统在各种实际情况下如何工作。

为了让您更好的理解有关移动扫描设备的精度问题,NavVis 开发了一种可以严格验证精度的方法,欢迎个人进行验证和审查。(博客文章为英文原文)

为何某些 SLAM 系统的性能要好于其他系统呢?

即使您将三个外形尺寸相同,带有传感器有效负载的系统排列在一起,这些系统得到的结果质量差异仍然会很大。原因是什么呢?

差别在于 SLAM 系统的构建质量。这是区分不同 SLAM 系统的两个主要因素。

功能强大

在现实世界中,某些环境对 SLAM 系统来说更具挑战性。以下是一个很好的例子:在一个门廊少的长走廊中,SLAM 通常缺少跟踪您位置所需的条件。这可能会导致 SLAM 生成的轨迹数据出错,降低最终点云的准确性。

功能更强的 SLAM 可以更好得处理此类情况。它们能够生成更好的轨迹,进而产生更精确的最终点云。

误差矫正

环境不是唯一会在移动数据集中出现误差的元素。误差也会来自传感器本身,所有传感器都会产生一定量的噪点,从而可能导致 SLAM 估算中的微小偏差。时间久了这一问题便可能积累成为漂移误差。

因此市场上几乎所有扫描仪都提供可矫正误差并提高最终数据集准确性的功能。

但就这一点而言,并非所有 SLAM 系统都是一样的。大多数系统提供环闭扫描功能,当您返回到已扫描的点时矫正误差。但并非所有的闭环技术都会产生相同的结果。一些系统提供控制点功能,用于将轨迹数据锁定到测绘控制点,但大多数系统是不提供这一功能的。

简而言之,某些 SLAM 系统的设计使之能比其他系统更好地处理实际复杂的扫描。这一差异在数据结果中得到了清晰的显示。

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为何某些 SLAM 系统的性能要好于其他系统呢?

这取决于该系统的计算能力。

如上所述,SLAM 扫描系统融合了来自各种传感器的数据以产生点云。包括可跟踪设备方向的IMU,可捕捉大尺寸彩色图像的高清摄像头以及每秒可记录30万以上个点的多个激光雷达装置。

造成挑战的是传感器有效载荷会产生大量数据-对于移动设备中的计算机而言,太多数据将难以处理。

这导致每个制造商都需要选择优先进行处理的数据。一些公司将其设备设计为实时生成点云,在质量上做出了妥协。其他人则为了更好质量的结果选择缓慢处理数据。而另一组则根据您项目的需求为您提供了实时处理或是更高质量处理的选项。

然而,NavVis 则选择了另一种方法。公司的扫描仪会在扫描进行中时处理数据,并在平板显示器上发送实时的视觉反馈。他们在回到办公室时便可以使用功能更强大的计算机来完成最终数据并生成高质量的点云。

SLAM 系统如何生成比特定传感器更精确的点云?

通过移动扫描仪在您行走时连续进行扫描。

架站仪在扫描过程中一次捕获一个测量点,而 SLAM 系统会在您移动时从多个角度自动多次捕获每个测量值。

这便为后处理软件提供了针对每个测量点的大量可能的x,y和z值集。该软件可以对这些值进行复杂的分析,从而减少甚至消除由传感器噪点等物理现象引起的不确定性。

结果如何呢?它可以生成比特定传感器更精确的点云。

移动扫描技术在持续迅速改变。
我如何知道我的设备在购买后不会过时?

SLAM 设备不仅仅依靠其硬件,它更依赖于软件来生成最终的点云。通过不断更新和调整该软件,制造商可以在您首次购买设备后仍然升级您的设备。

一些供应商在您购买设备后仍继续开发其软件,以改进 SLAM 处理,实时可视化以及其后期处理的质量。他们会以软件更新的形式发布这些改进,因此您只需下载并将它们安装到你的设备或计算机上即可进行升级。就这样,您现在已具有了最新的技术。

移动扫描系统软件拥有一个非常重要的优势: 购买者可以期待他们的工具在首次购买后继续升级发展

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使用计算机或基于云的软件对点云进行后处理而不在移动扫描仪的计算机中使用有什么好处?

当您使用计算机或基于云的软件进行后处理时,计算能力将获得显着的提高。这表示该工具可能会花更多时间,执行更多的密集处理,并产生更好的结果。

例如,NavVis 的后处理软件应用了复杂的滤镜和处理程序,以执行更逼真的着色和纹理化,能更有效的降噪和更好的执行表面重建。

这种额外的计算能力和时间还可用于另一个优势。它具有独特的处理功能,例如消除动态对象的“重影”,清除可能影响边缘的边缘点等。

所有这些更加密集的处理程序的结果便是一个清晰,噪声低并且主观上更“美”的点云。即使粗略的审查,也可以看到它们质量上的明显差异。

让我们深入了解一下点云后处理,以及 NavVis 软件过滤数据以获取高质量结果的六种方法

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亲身体验

在移动扫描革命中向前更进一步

移动扫描设备的速度和可扩展性是有史以来数一数二的,为最具挑战性的项目带来测绘级的精度。
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