камальдинова. Мультимедиа технологии
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
Лекция 16. Технология Лидар Краткая аннотация лекции: Рассматривается принцип работы технологии Лидар и области применение. Цель лекции: изучить основы технологии Лидар. LiDAR – это технология дистанционного зондирования, которая использует лазерный импульс для сбора измерений, которые затем можно использовать для создания 3D-моделей, карт объектов и окружающей среды. Технология существует с 1960-х годов, когда лазерные сканеры были установлены на самолетах. Лишь в конце 1980-х годов, с появлением коммерчески жизнеспособных систем GPS, данные с лидаров стали полезным инструментом для обеспечения точных геопространственных измерений. Как концепция, лидар уже насчитывает несколько десятилетий. Впрочем, интерес к этой технологии в последние годы резко вырос, поскольку сенсоры становятся меньше, усложняются, а сфера применения продуктов с технологией лидара все больше расширяется. Слово лидар представляет собой транслитерацию LIDAR (Light Detection and Ranging – световая система обнаружения и измерения дальности). Это технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар как прибор подобен радару, поэтому его применение - это наблюдение и обнаружение, но вместо радиоволн как в радаре в нем используется свет, генерируемый в подавляющем большинстве случаев лазером. Термин лидар зачастую используется равноправно с термином ладар, который означает laser detection and ranging (лазерное обнаружение и измерение дальности), хотя, по мнению Джо Бака, руководителя исследовательских работ в Coherent Technologies, входящего в дивизион космических систем компании Lockheed Martin, эти две концепции с технической точки зрения различны. «Когда вы смотрите на что-то, что может рассматриваться как мягкий объект, например, 400 твердые частицы или аэрозоль в воздухе, специалисты стремятся использовать лидар, когда говорят об обнаружении этих объектов. Когда вы смотрите на плотные, твердые объекты, например, автомобиль или дерево, тогда вы склоняетесь к термину ладар». Чуть подробнее о лидаре с научной точки зрения смотрите раздел «Лидар: как это работает». «Лидар был предметом исследований в течение многих десятилетий с момента своего появления в начале 60-х годов», – продолжил Бак. Впрочем, интерес к нему заметно вырос с начала этого столетия благодаря, прежде всего, техническому прогрессу. Он привел в качестве примера визуализацию с помощью синтезированной апертуры. Чем больше телескоп, тем более высокое разрешение объекта может быть получено. Если вам необходимо чрезвычайно высокое разрешение, тогда может понадобиться гораздо более крупная оптическая система, что может быть не очень удобным с практической точки зрения. Визуализация при помощи синтезированной апертуры решает эту проблему за счет использования движущейся платформы и обработки сигналов с целью получения действительной апертуры, которая может гораздо больше физической апертуры. Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) используются уже много десятилетий. Однако, только в начале 2000-х начались практические демонстрации формирования оптических изображений с синтезированием апертуры, несмотря на то, что лазеры уже широко использовались в то время. «Реально понадобилось больше времени для разработки оптических источников, которые имели бы достаточную стабильность в широком диапазоне регулировки. Совершенствование материалов, источников света и детекторов (используемых в лидарах) продолжается. Вы не просто обладаете способностью проводить теперь эти измерения, вы способны выполнять их в небольших блоках, что делает системы практичными касательно размеров, веса и энергопотребления». Также становится проще и практичнее собирать данные от лидара (или информацию, собранную лидаром). Традиционно она собиралась с сенсоров летательных аппаратов, говорит Ник Розенгартен, руководитель Geospatial 401 Exploitation Products Group в компании ВАЕ Systems. Впрочем, сегодня сенсоры могут быть установлены на наземных транспортных средствах или даже в заплечных рюкзаках, что подразумевает сбор данных человеком. «Это открывает целый ряд возможностей, данные теперь могут собираться как в помещениях, так и на открытом воздухе», – пояснил Розенгартен. Руководитель дивизиона геопространственных решений в компании Textron Systems Мэт Моррис утверждает, что «лидар представляет собой реально удивительный массив данных, поскольку он предоставляет обширнейшую детализацию поверхности Земли. Он дает гораздо более детализированную и, если можно так выразиться, более оттеночную картинку, чем технология цифровых данных топографических высот DTED (Digital Terrain Elevation Data), которая предоставляет информацию касательно высоты земной поверхности в определенных точках. Возможно, одним из самых мощных сценариев использования, о котором я слышал от наших военных заказчиков, является сценарий развертывания в незнакомой местности, ведь им необходимо знать, куда им предстоит идти... подняться на крышу или перелезть изгородь. Данные DTED не позволяют вам видеть это. Вы не увидите даже зданий». Моррис отметил, что даже некоторые традиционные данные о высотах точек рельефа местности с высоким разрешением не позволят вам увидеть эти элементы. А вот лидар позволяет это сделать из-за своего «шага позиций» – термин, описывающий дистанцию между позициями, которые могут быть точно показаны в массиве данных. В случае с лидаром «шаг позиций» может быть уменьшен до сантиметров, «поэтому вы можете точно узнать высоту крыши здания или высоту стены или высоту дерева. Это реально повышает уровень трехмерной (3D) ситуационной осведомленности». Кроме того, стоимость сенсоров лидар снижается, как и их размеры, что делает их более доступными. «Десять лет назад сенсорные системы лидаров были очень большими и очень дорогими. Они действительно имели высокое энергопотребление. Но по мере своего развития, совершенствования технологий, платформы становились 402 значительно меньше, снижалось энергопотребление, а качество генерируемых ими данных повысилось». Рис. 16.1 Городской ландшафт, сгенерированный программным инструментом Lidar Analyst компании Textron. Он позволяет изучать местность, извлекать 3D ландшафты и показывать информацию в программах 3D визуализации Рис. 16.2 Серия снимков лидара, сделанная с помощью приложения SOCET GXP от ВАЕ Systems. Монтирование мозаики (сбор последовательных снимков) может быть выполнено с данными лидара вне зависимости от того, как они были получены Моррис сказал, что основное применение лидара в военной области - это 3D планирование и отработка боевых задач. Например, продукт Lidar Analyst его компании для моделирования условий полетов позволяет пользователям принимать большие объемы данных и «быстро генерировать 403 эти 3D модели, затем они могут очень точно планировать свои задачи». То же самое верно и для наземных операций. Моррис пояснил: «Наш продукт используется для планирования путей входа и выхода в район цели, а так как исходные данные имеют высокое разрешение, то можно проводить очень точный анализ обстановки в пределах прямой видимости». Наряду с Lidar Analyst компания Textron разработала RemoteView - программный продукт анализа изображений, заказчиками которого являются американские военные и разведывательные структуры. ПО RemoteView может использовать различные источники данных, в том числе данные с лидара. Компания BAE Systems также предоставляет ПО для геопространственного анализа, ее флагманским продуктом здесь является SOCET GXP, который обеспечивает множество возможностей, включая использование данных лидара. Кроме того, как пояснил Розенгартен, компания разработала технологию GXP Xplorer, которая представляет собой приложение управления данными. Эти технологии вполне подходят для военного применения. Розенгартен, например, упомянул об инструменте для расчета посадочной зоны вертолета, который входит в состав ПО SOCET GXP. «Он может брать данные лидара и предоставляет пользователям информацию о зонах на земле, которых может быть достаточно для посадки вертолета». Например, он может подсказать им, есть ли вертикальные препятствия на пути, например, деревья: «Люди могут использовать этот инструмент для определения зон, которые могут быть лучше всего подходить в качестве эвакуационного пункта во время гуманитарных кризисов». Розенгартен также подчеркнул потенциал метода «монтирование мозаикой», когда множественные массивы данных лидара собираются с конкретной зоны и «сшиваются» друг с другом. Это стало возможным в связи с «повышенной точностью метаданных лидарных сенсоров в комбинации с таким ПО, как например, приложение SOCET GXP от BAE Systems, которое может превратить метаданные в точные зоны на земле, рассчитанные с помощью геопространственных данных. Процесс основывается на данных лидара и не зависит от того, как эти данные собраны». 404 16.1 Принцип работы технологии Лидар Лидар работает, подсвечивая цель светом. В лидаре может использоваться свет видимого, ультрафиолетового или ближнего инфракрасного диапазонов. Принцип действия лидара прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени между передачей светового импульса и его отражением, исходя из постоянной скорости света равной 299792 км/с. Измеряя этот промежуток времени можно вычислить дистанцию между лидаром и отдельной частью объекта и, следовательно, построить изображение объекта на основе его положения относительно лидара. 16.2 Использование технологии Lidar Система чаще всего используются для геодезических задач. Благодаря своей способности собирать трехмерные измерения, системы лазерного сканирования стали активно использоваться для съемки искусственной среды (например: зданий, дорожных сетей и железных дорог), а также для создания цифровых моделей рельефа (DTM) и рельефа конкретных ландшафтов (DEM). Лазерное сканирование является популярным методом обнаружения риска наводнений, накопления углерода в лесном хозяйстве и мониторинга береговой эрозии. С использованием данной технологии также наблюдается повышенный уровень внедрения приложений автоматизации. Многие производители автомобилей используют сканеры меньшего диапазона и с более низкой дальностью, чтобы помочь в навигации автономных транспортных средств. Именно с использованием этой технологии работают системы автоматического управления в автомобилях Тесла и им подобных. 405 16.3 Применение Lidar На сегодняшний день наиболее распространенными сферами использования системы лидар являются приложения для географического и атмосферного картографирования. Такие организации, как USGS (Геологическая служба США), NOAA (Национальное управление океанографии и атмосферы) и NASA, десятилетиями использовали лидар для создания карт Земли и космоса. Климатологи используют его, чтобы исследовать состав атмосферы и изучать облака, испарения и глобальное потепление. Океанографы используют его для отслеживания береговой эрозии. Ботаники используют лидары, чтобы измерить постоянно меняющиеся структуры лесов Земли. Мы также можем использовать Lidar для изучения газового состава атмосферы. Разные газы поглощают световые волны различной длины в необходимом количестве, поэтому мы можем дистанционно изучать газы в определенном месте, запустив в него два лазерных луча с различной длиной волны из самолета или вертолета, сравнив потом, сколько из каждой длины волны поглощено или отражено. Эта система называется LiDAR с дифференциальным поглощением (DIAL), может использоваться для всего: от обнаружения утечек газопроводов, до измерения загрязнения воздуха. Одним из наиболее распространенных применений является полицейское оборудование для измерения скорости автомобилей, хотя мы обычно думаем, что это радар. Портативные приборы гораздо чаще используют лазеры с длиной волны 905 нм, которые дешевые, безопасные и очень эффективные. У лидаров большое будущее, так как данная технология не стоит на месте, постоянно развивая приложения и утилиты. От базовых приложений для датчиков до систем 3D печати, 3D сканирования, моделирования и умных городов. Lidar трансформирует мир разными способами. 406 Лидар в дополненной реальности (AR) LiDAR Augmented reality – это технология, которая позволяет пользователю просматривать виртуальный контент так же, как он существовал бы в реальном мире. LiDAR повышает четкость и конечный результат AR систем. Сканер лидара предлагает высококачественное «3D- картирование», которое позволяет другим AR-системам размещать данные поверх карты с высоким разрешением, используя облако точек хорошо дополняя его. Также ведутся исследования по применению «доплеровского ветра», который позволил бы ясно видеть движение ветра. Этот подход был бы очень полезен для авиационной безопасности, визуализации атмосферных данных, прогнозирования погоды и готовности к стихийным бедствиям. Технология в автономных транспортных средствах Ожидается, что автономные автомобили скоро появятся на дорогах, которые произведут революцию в автомобильном секторе. Без лидара автономные транспортные средства перестанут существовать. Лидар следует называть глазами автономного транспортного средства, поскольку он смотрит на окружение, вычисляет расстояние, определяет препятствия впереди, освещает объекты лазером, а затем создает цифровое изображение высокого разрешения. Он также используется для предотвращения столкновений, путем измерения расстояния между автомобилем и любым другим препятствием перед ним. Это делается путем установки модуля на бампер или крышу. Адаптивная система круиз-контроля в автономном автомобиле получает информацию от датчиков, с помощью которых она решает, когда включать тормоза, замедляться либо ускоряться. Lidar и изменение климата Сверхвысокое разрешение и точные изображения захвата подчеркивают даже мельчайшие детали. По этой причине ученые и геологи все чаще отдают предпочтение данной технологии. Лидар может помочь отслеживать процессы ведения сельского хозяйства более эффективно, чем любой другой метод. 407 LiDAR в космосе НАСА разработало для международной космической станции инструмент под названием GEDI (исследование динамики глобальной экосистемы), который обеспечивает уникальное трехмерное изображение лесов Земли и помогает предоставить информацию об углеродном цикле, который ранее не был доступен. GEDI предоставляет жизненно важную информацию о влиянии деревьев на количество углерода в атмосфере. Используя эту информацию, ученые теперь могут определить точный уровень углерода, который хранится в лесах, и количество деревьев, которые необходимо посадить, чтобы компенсировать влияние выбросов парниковых газов. Геодезия Геодезия является одной из самых известных областей применения технологии. Съемка используется в областях строительства, городского планирования и изучения топографии региона. При съемке материалы собираются очень быстро, превосходя обычные методы. Пространственные модели, созданные с использованием LiDAR, имеют незначительную погрешность, экономят деньги и позволяют принимать решения быстрее. При съемке точки преобразуются в цифровую модель рельефа (ЦМР). ЦМР может иметь любую текстуру в зависимости от области применения и плотности. Археология Для исследования старых археологических раскопок, здесь Лидар полезен из-за исключительной детализации, которую он может сделать. При этом экономится время, а также усилия археологов, позволяя им «воскрешать» объекты, которые раньше было практически невозможно создать. Потрясающие трехмерные изображения древнего города майя, были созданы двумя археологами с помощью лидара. Эта модель позволила совершенно по-другому взглянуть на структуру города и назначение отдельных зданий 408 LiDAR Mapping (Карты лидара). При картировании используется лазерная сканирующая система со встроенным инерциальным измерительным блоком (IMU) и приемником GNSS, который позволяет осуществлять географическую привязку каждого измерения или точки. Каждая точка объединяется с другими для создания трехмерного представления объекта или области. Карты лидара могут использоваться для определения точности позиционирования. Материалы LiDAR в форме или облаке точек можно использовать для создания карт целых городов, с точностью до миллиметра. Элементы и объекты, такие как дорожные сети, мосты, растительность, могут быть классифицированы и нанесены на трехмерные карты. Карты LiDAR также можно использовать для выделения изменений и отклонений, таких как эрозия земли, изменения наклона почвы и рост растительности. Лидары для автомобилей Использование лидара на автомобилях без водителя. Как следует из названия, LiDAR работает как радар (радиоволновая навигация, используемая на кораблях и самолетах) и гидролокатор (подводное обнаружение при помощи звука, в основном используемое подводными лодками), хотя он имеет совершенно иные применения, от роботов заводского уровня и автоматических автомобилей, до «картирования» местности и измерений уровня роста лесных массивов. 409 Рис. 16.3 Использование лидара на автомобилях без водителя Основная идея работы навигационного лидара – автомобиль с автономным управлением испускает лазерные лучи в пространство вокруг себя, они отражаются от различных препятствий и улавливаются специальными приемниками. Время, необходимое для возвращения луча, говорит нам, как далеко находится каждое препятствие от машины. Таким образом, LiDAR создает трехмерное изображение среды вокруг автомобиля. Причем Lidar реагирует и получает информацию гораздо быстрее, чем любой водитель. Полученные материалы обрабатывает центральный процессор, который на основании заложенных в него алгоритмов управляет автомобилем. Также он на основании местоположения благодаря системе GPS прокладывает маршрут и движется к точке назначения. То, что вы видите своими глазами – это трехмерная цветная карта вашего окружения, которую ваш мозг построил в режиме реального времени, используя лучи света, воспринятые вашими глазами. Если бы вы были роботом с парой цифровых камер, прикрепленных к вашей голове, вы могли бы составить себе карту комнаты почти таким же образом, но это было бы не так информативно и полезно. Вы бы не знали, что один объект ближе, чем другой. Как человек, вы знаете эти вещи, потому что ваш мозг обрабатывает 410 визуальную информацию, и анализирует поступающие в него материалы, а у роботов нет «жизненного опыта», так что они находятся в естественном неблагоприятном положении, когда дело доходит до «видения» мира. Вот почему автономные роботы (например, автономный погрузчик) и автомобили с автоматическим управлением часто предпочитают смотреть на мир по-другому, используя системы LIDAR вместо камер. Чтобы создать изображение с помощью этой технологии, нужен лазер и что-то, что улавливает отраженный свет. Также необходимо перемещать лазерный луч и заставлять его сканировать все вокруг, вся эта система должна комплектоваться GPS приемником, чтобы Вы могли выяснить свое местоположение. Как правило, Lidar, состоит из полупроводникового диодного лазера, похожего на тот, который используется в лазерных граверах или проигрывателе компакт-дисков, только более мощного. Вместо того, чтобы излучать видимый свет (длина волны которого составляет около 400 – 700 нм), автомобиль с автоматическим управлением, будет использовать невидимый спектр, близкий к инфракрасному диапазону (около 900 –1100 нм). В подводных сканерах LIDAR используется зеленый лазерный свет с более короткими длинами волн (около 530 нм) в середине видимого диапазона. Чем дальше лазер лидара должен проникать, тем больше длина волны у него должна быть, потому что свет с большой длиной волны имеет более низкую частоту и меньшую энергию. Самые последние беспилотные автомобили, оснащенные лазерными лидарами с автоматическим приводом, используют волны с длиной 1550 нм для сканирования на расстоянии до 200 метров. Предыдущие модели, работающие на длине волны 905 нм, сканировали на расстоянии 30 – 40 метров. Фотоприемник в системе – это своего рода фотоэлемент, изготовленный из арсенида кремния или галлия, который спроектирован с максимальной чувствительностью для любой длины волны, испускаемой 411 лазером. Различные типы детекторов используются в зависимости от диапазона, в котором работает система. Системы ближнего действия обычно используют простые кремниевые фотодиоды. В системах дальнего радиуса действия используются так называемые лавинные фотодиоды (APD). Они работают как детекторы встречного излучения Гейгера, превращая один входящий фотон света в измеримый поток электронов (электрический ток, который можно измерить), так можно обнаружить более низкие уровни света. Сотни APD могут быть встроены в одну микросхему для создания площадки детекторов, называемой многопиксельным счетчиком фотонов (MPPC). В современных системах Лидар используются микроскопические движущиеся зеркала, основанные на технологии MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), установленные на микрочипах и аналогичные тем, которые вы найдете в цифровых проекторах, другие типы устройств используют большие зеркала размером с монету. На практике это выглядит не так громоздко, так как современные лидары имеют тенденцию использовать очень маленькие микроскопические зеркала, основанные на технологии MEMS. Каждый крошечный зеркальный сегмент устанавливается на шарнир, притягиваемый электрически заряженными пластинами. Данные с лидара могут быть использованы сами по себе или объединены с другими материалами, собранными другими способами: 1. В случае воздушной карты системы обычно используют GPS (спутниковая навигация). 2. В автомобилях с автоматическим управлением, используется вместе с GPS, бортовыми датчиками (например, акселерометрами, спидометрами), инерциальными системами наведения и гирокомпасами, а также навигационными материалами с сохраненными картами (например, Google Street View). То, что в итоге получается, называется «облаком точек», трехмерный массив измерений лидара, связанный с конкретными GPS координатами. |