Как откалибровать сканер graphtec

Обновлено: 17.01.2025

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Войнаровский Александр Евгеньевич, Тихонов Сергей Геннадьевич

В статье рассматривается реализация технологии калибровки наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона с применением степенных полиномов. Лазерный сканер, как и любой другой измерительный прибор, нуждается в периодическом обслуживании и поверке, к тому же в процессе эксплуатации сканера его точность измерений постепенно ухудшается и, в конечном итоге, перестает удовлетворять заявленным производителем характеристикам. Таким образом, задача калибровки наземного лазерного сканера является актуальной и ее решение позволит восстановить требуемую точность измерений. Целью данной работы явилась разработка и реализация универсального математического аппарата калибровки наземного лазерного сканера, который с учетом конструкции и принципа измерений различных сканеров мог восстановить точность измерений до величин, заявленных производителем. Методом решения задачи калибровки предлагается получение математической модели, описывающей ошибки несоответствия координат марок пространственного полигона (координаты марок которого известны с заведомо более высокой точностью, чем их можно определить по результатам сканирования) и марок, измеренных по сканам. В статье большое внимание уделяется практической реализации технологической схемы калибровки в программных продуктах ScanIMAGER и ScanCalibr . Приводится результат тестирования метода калибровки с использованием конкретного наземного лазерного сканера, результат работы которого перестал удовлетворять заявленной производителем точности измерений. Статья предназначена для инженерно-технических работников, применяющих технологию наземного трехмерного лазерного сканирования для решения производственных задач.

LASER SCANNER CALIBRATION USING SCANS OF TEST POLYGON

Текст научной работы на тему «Калибровка наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона»

ГЕОДЕЗИЯ И МАРКШЕЙДЕРИЯ

КАЛИБРОВКА НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНЕРА ПО СКАНАМ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ПОЛИГОНА

Александр Евгеньевич Войнаровский

Сергей Геннадьевич Тихонов

Целью данной работы явилась разработка и реализация универсального математического аппарата калибровки наземного лазерного сканера, который с учетом конструкции и принципа измерений различных сканеров мог восстановить точность измерений до величин, заявленных производителем.

Методом решения задачи калибровки предлагается получение математической модели, описывающей ошибки несоответствия координат марок пространственного полигона (координаты марок которого известны с заведомо более высокой точностью, чем их можно определить по результатам сканирования) и марок, измеренных по сканам.

В статье большое внимание уделяется практической реализации технологической схемы калибровки в программных продуктах ScanlMAGER и ScanCalibr. Приводится результат тестирования метода калибровки с использованием конкретного наземного лазерного сканера, результат работы которого перестал удовлетворять заявленной производителем точности измерений.

Статья предназначена для инженерно-технических работников, применяющих технологию наземного трехмерного лазерного сканирования для решения производственных задач.

Ключевые слова: трехмерное лазерное сканирование, калибровка сканера, пространственный полигон, поле искажений, ScanlMAGER, ScanCalibr.

Современный наземный лазерный сканер представляет собой автоматизированную систему сбора пространственных данных, работающую с очень высокой скоростью (до 1 миллиона точек в секунду), обеспечивая при этом миллиметровую точность. В основе наземный лазерный сканер состоит из лазерного дальномера и блока развертки лазерного луча. В качестве блока развертки выступают сервопривод и полигональное зеркало или призма. Сервопривод отклоняет луч на заданную величину в горизонтальной плоскости, при этом у большинства моделей поворачивается вся верхняя часть сканера. Развертка в вертикальной плоскости осуществляется за счет вращения или качания зеркала [1]. По принципу измерения расстояний сканеры делятся на импульсные и фазовые. Импульсный метод измерения расстояний основан на измерении времени прохождения сигнала от приемо-передающего устройства до объекта и обратно. Фазовый метод измерения основан на определении разности фаз, посылаемых и принимаемых модулированных сигналов [2]. Результатом работы лазерного сканера является растровое изображение - скан, значения пикселей которого представляют собой элементы вектора с измеренным расстоянием и интенсивностью отраженного сигнала [3]. С помощью специализированного программного обеспечения из растрового скана можно создать облако точек, пересчитав каждый пиксель скана из полярной системы координат в прямоугольную декартову с учетом результатов калибровки конкретного прибора. В процессе эксплуатации ряд узлов лазерного сканера испытывает значительные динамические нагрузки, и со временем результаты калибровки уже не полностью компенсируют систематические ошибки прибора, что приводит к ухудшению точности выходного облака точек. Кроме того, бывают случаи, когда приходится прибегать к нестандартным условиям съемки (сканирование при значительном наклоне прибора или в перевернутом состоянии), что производителем не запрещается, но в этом случае не гарантируется точность выходного результата. При желании можно проверить точность результатов сканирования как в обычных, так и нестандартных условиях на предмет соответствия точности, заявленной производителем 4. Но если точность измерений сканера перестала удовлетворять или не соответствуют заявленным требованиям, то необходимо выполнить его калибровку. Кроме того, калибровку сканера также необходимо выполнять для конкретного нестандартного случая съемки. На сегодняшний день производители оборудования по-разному подходят к решению проблемы калибровки лазерного сканера 8. Одни производители предоставляют сервисную функцию самокалибровки, но на сегодняшний день -это скорее исключение, чем правило. Вторые предлагают функцию контроля калибровки, т. е. насколько заводские калибровочные параметры актуальны и способны компенсировать ошибки сканирования, а третьи полностью отказывают в предоставлении сервисных функций, отвечающих за калибровку. В большинстве случаев калибровка лазерного сканера - это дорогостоящая

и длительная услуга, к тому же зачастую связанная с перевозом прибора через границу, поскольку в Российской Федерации отсутствуют сервисные центры большинства производителей лазерных сканеров. В то же время, как правило, задача периодической калибровки сводится к актуализации поправок, минимизирующих влияние систематических ошибок прибора на результаты сканирования, и решается на программном уровне. В данной статье рассматривается решение актуальной задачи, - разработки универсальной технологии калибровки наземных лазерных сканирующих систем по сканам испытательного полигона и специализированного программного обеспечения.

Методы и материалы

Калибровку лазерного сканера можно выполнять как по первичным данным (расстояния, горизонтальные и вертикальные углы, полученные как результат измерений в процессе сканирования), так и по вторичным данным (расстояния, горизонтальные и вертикальные углы, полученные как функции трехмерных декартовых координат, возвращаемых прибором по результатам сканирования).

Калибровка на основе первичных данных во многом является более предпочтительной, поскольку позволяет непосредственно определять и учитывать основные инструментальные ошибки сканера, вызванные неоптимальным взаимным расположением основных осей и узлов прибора (коллимационная ошибка, эксцентриситеты горизонтального и вертикального угловых отсчетных устройств и т. п.). Данные виды ошибок и методы их определения у геодезических приборов хорошо изучены, а формулы учета в результатах измерений имеют простой и законченный вид [11, 12]. Однако не всегда есть возможность выполнить калибровку сканера по первичным данным, поскольку производители оборудования часто закрывают доступ к «сырым» данным прибора и показаниям датчиков, а несанкционированная исполнителем «прошивка» внутренней памяти прибора приводит к потере гарантии. Поэтому самостоятельно калибровку сканера по первичным данным можно выполнить лишь в случае, если данная процедура предусмотрена фирмой-изготовителем как пользовательская. В остальных же случаях единственный путь минимизировать влияние систематических ошибок и повысить качество выходной информации - это провести калибровку по расстояниям, горизонтальным и вертикальным углам, восстановленным по координатам отсканированных точек. В целях упрощения изложения данный вид калибровки далее будем называть посткалибровкой (калибровкой лазерного сканера по вторичным данным). Полученные таким образом вторичные данные отягощены не только собственно ошибками измерений, но и не вполне актуальными уже заводскими поправками. Таким образом, задача посткалибровки сводится к выявлению остаточных ошибок сканирования после применения заводских параметров с целью их компенсации при создании выходного облака точек. Данную задачу целесообразно решать по сканам про-

странственного испытательного полигона, координаты марок которого известны с заведомо более высокой точностью [13], чем их можно определить по результатам сканирования.

Задачу выполнения калибровки сканера предлагается разбить на следующие этапы:

- построение пространственного испытательного полигона - печать и закрепление марок;

- построение линейно-угловой сети путем выполнения измерений на марки полигона электронным тахеометром и определение координат марок;

- сканирование полигона сканером, подлежащим калибровке, в различных положениях;

- измерение марок на сканах;

- выявление ошибок несоответствия координат марок полигона и марок, измеренных по сканам;

- вычисление полиномов компенсации ошибок;

- применение полиномов компенсации при создании облака точек.

В настоящее время приборы, которые позволяют получать круговые ска-ны, реализуют, как правило, одну из двух конструктивных схем. У первой из них при получении кругового скана прибор вращается в горизонтальной плоскости на 180°, а зеркало - на 360° в вертикальной плоскости. Вторая конструктивная схема предполагает полный оборот сканера в горизонтальной плоскости, и качание зеркала в вертикальной плоскости. Тем не менее, вне зависимости от схемы получения круговой развертки, в большинстве программных продуктов, она выглядит в виде растра с измерениями на 360° по горизонтальному углу и на 180° по вертикальному (рис. 1).

Рис. 1. Развертка скана 360° на 180°

Данный традиционный вид развертки для измерения углов можно использовать только для сканеров, совершающих в результате сканирования полный оборот вокруг своей оси. В случае если круговой скан получен иным способом,

для определений углов развертку скана необходимо представить в соответствии с конструктивной схемой, реализованной в данном приборе. На рис. 2 показана развертка скана, полученная сканером, совершающим половину оборота вокруг своей оси и вращающим зеркало на 360°. Кроме того, в результате кругового сканирования получается зона перекрытия в несколько градусов, поэтому для корректной калибровки необходимо разделить измерения, условно говоря, на левый и правый круги или прямой и обратный ход.

Рис. 2. Измененная развертка скана 180° на 360°

В результате измерения марок испытательного полигона тахеометром и уравнивания линейно-угловой сети получается каталог точек в декартовой системе координат, который затем необходимо привести к системе координат станции сканирования ортогональным преобразованием (сдвиг и поворот по трем осям) по всем маркам по методу наименьших квадратов. Далее необходимо пересчитать координаты марок из прямоугольной декартовой системы координат в полярную (согласно принципу измерения сканера). Пересчет из прямоугольной декартовой системы координат в полярную осуществляется по следующим формулам.

Для сканера, осуществляющего при сканировании поворот по горизонтальному углу на 360°:

где Н - горизонтальный угол (с учетом знаков координат для расстановки по координатным четвертям);

где V - вертикальный угол; х, у, 2 - координаты измерений в прямоугольной

декартовой системе координат.

Для сканера, осуществляющего при сканировании поворот по горизонтальному углу на 180°:

Плоттер не может найти метки для позиционирования и процедура поиска срывается ИЛИ прорезные линии оказываются не совсем в том месте относительно изображения, где нужно.

Проблемы с поиском меток и (или) попаданием прорезного контура в нужное место могут быть вызваны рядом причин. Прежде всего убедитесь, что метки используются только для проектов print & cut (печать и резка). Не задействуйте метки позиционирования в файле, если их нет и не будет на материале, который вы собираетесь резать.

Метки могут не считываться по следующим причинам:

Используется не последняя версия программы Silhouette Studio®
В программе установлен не тот керриер, который используется на самом деле
Керриер или материал загружен неровно
Материал закреплен на керриере неровно или не правильно позиционирован
Поверхность материала цветная или непроницаемая для оптического сенсора, т.е. этот материал не может использоваться для резки с позиционированием
Метки отпечатаны нечетко
Оптический датчик загрязнен
Окружающее освещение не позволяет датчику нормально считать метки

В следующих случаях метки могут быть считаны нормально, но контур вырезан в неправильном месте:

Метки не считываются

Проверьте и убедитесь, что следующие условия выполняются:

Убедитесь, что материал загружается в правильном направлении, как показано на экране. Если материал загружается без керриера, убедитесь, что он подается по направлению стрелки на экране.
Убедитесь, что метки позиционирования отпечатаны отчетливо и надлежащим образом. В противном случае датчик не сможет их считать. Если в принтере заканчиваются чернила или тонер, или стоит экономичный режим, метки могут не считываться. Метки могут плохо считываться с фактурных или сильно впитывающих материалов. Для пробы попробуйте воспользоваться обычным листом бумаги.
Проверьте цвет материала. На темных или цветных материалах метки могут считываться плохо. Особенно если эти материалы зеленые или синие.
Проверьте типметокпозиционирования. При использовании CAMEO или Portrait используйте Тип 1, для любого другого Silhouette Тип 2
Убедитесь, что датчик чист и ему ничто не мешает. Иногда ему может мешать пыль или кусочки пленки. Осмотрите пространство под кареткой, где находится датчик.

Метки считаны нормально, но контур вырезан в неправильном месте

Некоторые считают, что при правильном считывании меток, но непопадании контура в нужное место имеет смысл калибровка Silhouette. На самом деле, это почти всегда не так. Калибровка требуется крайне редко. Перед калибровкой проверьте следующее:

Проверьте цвет материала. Silhouette не сможет корректно считать метки с очень темных или черных материалов. Особенно зеленых и синих тонов.
Проверьте файл и убедитесь, что никакие части изображения не попадают в заштрихованную зону считывания меток "no-print zone".

В этом примере мы обозначили желтым неверно размещенный макет. Такой макет не даст правильно считать метки и контур попадет мимо цели.

3.Убедитесь что все метки целиком присутствуют на листе. Проверьте область печати и размер листа.

4. Проверьте, не были ли сделаны корректировки меток позиционирования, отличные от установок по умолчанию. Обычно это не требуется. Однако если они все-таки изменены, верните значения по умолчанию и перепечатайте макет.

Внимание: Метки позиционирования могут не работать на неровных поверхностях (текстурный картон), а также на темных материалах. В целом, производитель - Silhouette America не может гарантировать корректное считывание меток и позиционирование на всех материалах.

В этой статье речь пойдет о системе автоматической калибровки сканера. Отметим, что в настоящее время в сканерах МФУ все чаще встречается «контактный датчик изображения» (Contact Image Sensor, CIS), в основе которого лежит тот же самый принцип зарядовой связи. Грубо говоря, CIS это модуль, который в котором объединены: сканирующая линейка CCD с длиной, равной размеру сканируемого изображения; линейка короткофокусных линз, которая заменяет систему зеркал и линз; и лампа экспозиции, роль которой зачастую выполняет линейка светодиодов.

Основные тезисы, вытекающие из теории:

На текущем этапе развития технологий сканирующая линейка в любом сканере имеет отличия чувствительности отдельных пикселов. Это неизбежно.

Если не предпринимать никаких мер по коррекции отличий чувствительности пикселов, то сканируемое изображение обязательно будет «полосатым». Поэтому система автоматической калибровки используется во всех сканерах. Наиболее распространенные термины для обозначения этой системы – AGC (Auto Gain Control, Автоматическая регулировка уровня) и Shading Correction (Теневая коррекция).

Наличие системы автоматической калибровки, помимо решения основной задачи коррекции разной чувствительности пикселов, решает и другие задачи:

Не нужно управлять яркостью свечения лампы экспозиции. В определенном диапазоне система может компенсировать избыточно или недостаточно яркий свет лампы. Соответственно, упрощается схема управления лампой, а такое понятие как «регулировка яркости лампы экспозиции», которое в аналоговых машинах было одним из ключевых, становится ненужным и заменяется на цифровую обработку выходного сигнала сканера.
Не нужно иметь лампу с равномерной яркостью по всей длине. Система может компенсировать разницу яркости точно так же, как и разницу чувствительности пикселов. Это позволяет использовать линейку светодиодов в качестве лампы.
Система может компенсировать старение лампы, и даже пыль на зеркалах. До определенного предела, разумеется

Все, вроде бы, красиво, но есть «слабое звено» — для правильной работы системы автоматической калибровки сканера необходима эталонная белая полоса с одинаковой белизной по всей своей длине. А в реальных условиях эксплуатации эта полоса местами загрязняется и теряет свою белизну. Это приводит к тому, что для пикселей линейки CCD, на которые проецируется уже совсем не белый участок калибровочной полосы, система выставляет избыточную коррекцию – изображение осветляется.

Практические аспекты, связанные со сканером:

Если вы чистите оптику сканера, то не забывайте почистить и белую калибровочную полоску. Она играет очень важную роль в работоспособности системы калибровки.

Типичное положение белой полосы

Несмотря на то, что система автоматической калибровки способна компенсировать загрязнение зеркал и линз, их тоже нужно тщательно чистить. Как минимум, чтобы значения коррекции не выходили за диапазон, в котором система работает правильно. Для очистки зеркал и линз в большинстве случаев достаточно сухой безворсовой салфетки. Если грязь сухой салфеткой не оттирается, то лучше воздержаться от применения «ядреной химии» и попробовать сначала «мягкие» очистители оптики типа “ScreenClene” от Katun.

Полосы осветленного изображения на копиях, параллельные ходу движения каретки сканера, при нормальных отпечатках в режиме принтера, почти однозначно указывают на то, что белая калибровочная полоса местами перестала быть белой. Очистите ее и всю остальную оптику.

Целиком бледная копия при нормальных отпечатках в режиме принтера может иметь несколько причин:

Белая полоска в сканере перестала быть белой по всей длине.
Загрязнение оптики привело к тому, что увеличившиеся значения коррекции, устанавливаемые системой калибровки, стали неточными, т.е. возникла перекомпенсация.
Кто-то накрутил пользовательские и/или сервисные настройки яркости изображения.
«Конструктора недосмотрели», т.е. микропрограммное обеспечение аппарата имеет неточный алгоритм обработки сканированного изображения, осветляющий отпечаток. К сожалению, такие случаи нередки.

Лечение такой бледноты простое и банальное – проверить установки аппарата, очистить белую полоску, очистить все зеркала и линзы, включая те, до которых добраться нелегко. Иногда загрязнение оптики и белой полосы приводит к тому, что аппарат, будучи не в состоянии выставить адекватные значения коррекции выдает ошибку сканера (ошибка AGC, ошибка лампы экспозиции, «прогрев сканера» и т.п.). При появлении этих ошибок не спешите сходу менять CCD-модуль, как того зачастую требует сервис-мануал. Уже неоднократно упомянутая тщательная очистка всего и вся в сканере спасает от этих ошибок довольно часто, хотя, естественно, и не всегда.

Некоторые аппараты имеют возможность регулировки положения каретки сканера под белой полосой во время автокалибровки. Эта регулировка бывает полезной в тех случаях, когда на полосе есть несмываемое повреждение или загрязнение, которое не занимает всю ширину полосы.

И последнее – винты, которые крепят линейку CCD, линзу и некоторые другие детали сканирующего модуля, почти всегда закрашены краской. Это сделано не из-за избытка краски на производстве а означает, что не нужно откручивать эти винты, даже если очень хочется. Вероятность того, что после отвинчивания/завинчивания винтов модуль нормально заработает, очень невысока.

Сам датчик находится на каретке, чтоб туда добраться, приходится произвести не полную разборку, а именно скинуть боковые и верхнюю крышки. После этого, можно снять защитную крышку каретки:

Сам датчик находится в левом нижнем углу, и чтоб его достать, необходимо отключить все коннекторы от платы, снять блок датчика:

Далее снимаем блок привода датчика, извлекаем старый датчик.

Устанавливаем новый датчик.

Собираем в обратной последовательности, делаем необходимые калибровки. Проводим тестовое считывание меток, тестовый рез.

Старенький Роланд SP-540, обломался коннектор на манифолде, наш инженер производил замену и юстировку печатных голов.

Читайте также: