Mittauskohteen digitaalinen kuvantaminen

Abstract

Digitaalisen kuvantamisen menetelmiä käytetään todellisuutta vastaavan tietokonemallin luomisessa halutusta mittauskohteesta. Menetelmillä tuotetaan yleensä tiheä pistejoukko eli pistepilvi, joka voi sisältää miljoonia mittauspisteitä kolmiulotteisessa koordinaatistossa. Kehitykset laitteissa ja ohjelmistoissa ovat tehneet eri menetelmistä houkuttelevia tapoja mittatiedon keräämiseen erilaisista kohteista. Digitaalisen kuvantamisen menetelmiä hyödynnetään laajalti teollisuudessa niiden nopeuden ja korkean tarkkuuden vuoksi. Menetelmillä voidaan mallintaa etenkin suuria kokonaisuuksia huomattavasti tarkemmin ja nopeammin, kuin perinteisillä mittausvälineillä. Pistepilvien ja niistä tuotettujen 3D-mallien käyttö onkin muodostunut standardiksi etenkin laitos- ja prosessiteollisuudessa.

Laserkeilaus ja fotogrammetria ovat yleisiä digitaalisen kuvantamisen menetelmiä, joilla voidaan tehdä pistepilviä mittauskohteista. Laserkeilain lähettää ympäristöönsä lasersäteitä tiheänä pistejoukkona. Säteiden lentoajat mitataan, ja pinnasta takaisin heijastuneen lasersäteen koordinaatit voidaan laskea, kun lasersäteen lähtökulma tunnetaan. Fotogrammetrialla tarkoitetaan mittauskohteen kolmiulotteisten koordinaattien määrittämistä kohteesta otettujen valokuvien avulla. Pistepilvistä voidaan tehdä joko parametrisista pinnoista, tai lukuisista kolmiopinnoista koostuvia pintamalleja. Parametristen mallien tuottaminen vaatii käsin tehtävää mallinnustyötä, mutta kolmioverkkomalli voidaan tehdä laskennallisesti digitaalisen kuvantamisen menetelmien tuottamista pistepilvistä.

Tässä työssä tehtiin kolmioverkkomalleja laserkeilaamalla ja fotogrammetrisilla menetelmillä tuotetuista pistepilvistä kahdella eri digitaaliseen kuvantamiseen tarkoitetulla ohjelmalla. Malleja varten kerättiin aineistoa Tampereen yliopiston Hervannan kampuksen konetekniikan laboratoriotilasta, joka vastaa piirteiltään tyypillistä teollisuusympäristöä. Mallien geometrista tarkkuutta ja teksturoinnin todenmukaisuutta vertailtiin toisiinsa eri ohjelmien ja menetelmien vahvuuksien selvittämiseksi. Vertailussa selvisi, että fotogrammetrialla tuotettujen mallien geometrinen tarkkuus ei yllä laserkeilatun mallin tasolle. Sisätilojen mallintaminen fotogrammetrisilla menetelmillä on haastavaa, sillä laadukkaan mallin luomiseksi tarvitaan valtava määrä valokuvia. Monia piirteitä ei välttämättä saada kuvattua riittävän monesta kuvakulmasta tarkkojen pistekoordinaattien laskemiseksi. Toisaalta sellaiset piirteet, joista saatiin riittävästi valokuvia kaikista kuvakulmista, saatiin mallinnettua tarkasti myös fotogrammetrisilla menetelmillä. Fotogrammetriamallien pintojen teksturointi oli huomattavasti tarkempi ja todenmukaisempi, kuin laserkeilattujen mallien. Fotogrammetrialla tuotettujen mallien tekstuurit siirrettiin laserkeilattuun kolmioverkkomalliin onnistuneesti, jolloin molempien kuvantamismenetelmien vahvuudet saatiin yhdistettyä.

Lopussa kolmioverkkomallit tuotiin kolmeen suunnittelutyössä yleisesti käytettyyn CAD-ohjelmaan niiden yhteensopivuuden ja käyttökelpoisuuden todentamiseksi. Eri suunnitteluohjelmat tukevat kolmioverkkomalleja vaihtelevasti. Kolmioverkkomallien muokkaamiseen tarkoitetut työkalut rajoittuvat tyypillisesti komponenttitason kokoisiin kappaleisiin. Jos mallissa on liikaa kolmiopintoja, ohjelmat toimivat heikosti, eikä malleja välttämättä saa avattua ollenkaan. Käsin mallintamista vaativat parametriset mallit toimivat tässä suhteessa paremmin, sillä ne ovat kevyitä ja useimmat ohjelmat pystyvät avaamaan yleisissä tiedostomuodoissa olevia parametrisia malleja natiivisti. Lisäksi niitä on käytännöllisempi muokata, sillä mallin parametreja voidaan muuttaa, ja piirteitä voidaan piilottaa tai siirtää mallissa haluttuun paikkaan helpommin. Kolmioverkkomalleja voidaan kuitenkin hyödyntää suunnittelussa yksinkertaisina tilanvarausmalleina, joiden pintoja voidaan käyttää ohjelmissa tasoina muotojen piirtämiseen ja pursottamiseen tai ohjelmiin tuotujen parametristen mallien sitomiseen.