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NavVis VLX 3精度白皮書

2024.11.11

1.精度評價現況

三維掃描行業還沒有建立一個用於估算或驗證移動雷射掃描系統精度的統一標準。因此,需要高精度交付成果的專業人士很難相信設備所標註的精度規格,也就很難知道基於SLAM的移動光達掃描系統是否適合當前的專案。

NavVis將通過展示一種嚴格、可靠和基於測量的方法來驗證移動光達掃描系統產生的點雲的準確性,從而解決這一問題。

2.精度驗證基準點

評價測繪設備的精度時,通常是與行業認可的高精度設備進行比較。本次實驗採用雷射追蹤儀作為參考系統,該系統專為亞毫米級精度的工業應用設計,資料平均偏差僅為0.08mm。驗證過程要求測試儀器的精度是掃描儀本身的三倍,因此雷射追蹤儀的99.7%(3σ)參考測量值精度應高於NavVis VLX3的5mm(1σ)精度。由於RAITEC的測量結果超出要求,因此這些參考資料可作為無誤的基準點。

API追蹤系統radian plus 50

(左圖) API追蹤系統radian plus 50;(右圖) 用於API追蹤系統的vProbe

 

3.如何驗證移動光達掃描點雲的精度

● 相對方法(無控制點)
使用處理軟體在沒有地面控制點(控制點)的情況下完成點雲的最終處理,從而省去將點雲轉換為指定坐標系和優化軌跡的額外步驟。此時生成的點雲缺乏參照,軌跡優化也不依賴於控制點提供的資料。

▉ 具體流程
➢在現場隨機分佈43個黑白標。
➢利用雷射追蹤儀對目標中心進行高精度測量。將任意兩目標中心作為一個目標對,計算這兩點之間的距離,一共產生903個距離值,以此作為參考值。
➢使用NavVis VLX 3掃描現場(不使用地面控制點),計算點雲中所有目標對的點對點距離。
➢使用另外的11台VLX3重複上一步驟,得到12個點雲模型和其目標對中點對點距離測量值。
➢將每個點雲中的點對點距離測量值與參考值進行比較,從而獲得偏差資料,進而說明未參照(相對)點雲的精度。


● 絕對方法(控制點)
使用控制點完成點雲的後處理,將點雲模型轉換到基準點坐標系。在此過程中,SLAM演算法利用控制點的已知位置優化移動軌跡進而提升點雲模型精度。

▉ 具體流程
使用與前述相對方法中相同的NavVis VLX 3原始資料,處理點雲時採用雷射追蹤儀測量的控制點,確保與目標坐標系一致。
資料的精度驗證可以通過多種方式進行:
✧ 提取點雲中每個黑白標的中心坐標,並與參考坐標進行比較。
✧ 進行相對點雲的比較,提取所有可能目標對中的點對點距離,並將結果與參考值進行對比。


● 確定控制點的影響
在驗證NavVis VLX 3成果點雲的精度時,針對同一原始資料,分別進行了使用控制點和不使用控制點的兩種處理方法,這使得生成的最終點雲具有可比性,我們可以量化使用控制點對點雲精度的積極影響。

4.評估NavVis VLX3精度的操作流程

(1)確定測試地點

測試地點為辦公大樓的地下室,該地點牆壁堅固固定、環境溫度穩定、人流量極少、目標不太可能被破壞或磨損,在這裡我們可以控制各種變數以獲得可重複的結果,是一個理想的測試環境。

 

(2)覘標位置和分佈
為建立可被雷射追蹤儀和NavVis VLX 3捕捉的參考標記,使用了標準為15公分x 15公分的黑白標,並在環境中隨機放置43個覘標,每個覘標用3mm厚的DIBOND鋁板固定在牆上以防移動。

黑白標

 

 

用於精度估算的覘標位置

(3)掃描
操作員使用NavVis VLX 3掃描場景大約需12分鐘,過程包括拍攝全景影像和獲取控制點。該掃描過程快速高效,4個不同的操作員使用12台VLX 3,共進行12次掃描測試,以評估VLX3對不同操作員的準確性。

(4)目標和線條提取
使用三維資料處理軟體從目標中提取中心點。當技術人員選取接近目標中心的點時,軟體會使用可靠的業界標準演算法計算出真正的中心點並提供坐標。

  

一共43個目標,任意兩點連成一條線段,我們可以提取出903條點對點線段。計算得出的目標之間的距離從10公分到50米不等。

 

俯視圖 - 點距離線條

 

 

 

三維視圖 - 點距離線條

 

 

不同距離的線條數量

 

(5)檢查異常值
手動檢查距離測量值,剔除異常值或修改軟體操作誤差。

5.驗證結果

● 相對方法(無控制點)的結果
長條圖顯示每個點對點測量距離與參考值的偏差,其中紅線表示68%的誤差為3.1mm,意味著68%的距離測量值與參考值的偏差在3.1mm或以下;綠線表示NavVis VLX 3的5mm精度,顯示87%的距離測量值與參考值的偏差在5mm以內。

● 絕對方法(控制點)的結果
✧ 點對點比較:絕對點與參考點
下圖說明瞭點雲中的目標中心與基準點的偏差程度。所有異常值均已去除。在478個觀測值中,平均偏差為2.8mm,中位數為2.5mm。

各個NavVis VLX 3測得的目標中心的3D偏差

 

 

✧ 絕對方法中的測量距離與參考值的比較
長條圖顯示每個點對點測量距離與參考值的偏差,其中紅線表示68%的誤差為2.1mm,意味著68%的距離測量值與參考值的偏差在2.1mm或以下;綠線表示NavVis VLX 3的5mm精度,顯示97%的距離測量值與參考值的偏差在5mm以內。

6.結論

經測試,所有12個NavVis VLX3 設備的性能均優於規格表中的說明。
即使不使用控制點,在這種測試環境中,68%(~1σ)的可信度下, 精度也可達到 3.2 mm。下表匯總了上文描述的距離測量結果。

信賴區間

相對距離

(無控制點)

絕對距離

(有控制點)

控制點和無控制點差異

68%

3.2 mm

2.1 mm

1 mm

85%

5 mm

3.3 mm

2 mm

97%

8.1 mm

5 mm

3 mm

 

原文

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