干貨 | SLAM 技術(shù)如何優(yōu)化掃描精度
本文轉(zhuǎn)載自NavVis Ltd
移動(dòng)掃描的優(yōu)勢(shì)在掃描領(lǐng)域是眾所周知的。與傳統(tǒng)的架站儀（TLS）相比，移動(dòng)掃描設(shè)備可以更好地涵蓋掃描范圍以及加速工作流程，這也意味著可以減少服務(wù)供應(yīng)商在現(xiàn)場(chǎng)的工作時(shí)間，并降低掃描成本。
但對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的 3D 掃描“老司機(jī)”來(lái)說(shuō)，移動(dòng)掃描系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)似乎被認(rèn)作為“不靠譜”的存在，特別是當(dāng)你的業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)精度要求非常精準(zhǔn)的情況下。
這是因?yàn)橐苿?dòng)掃描系統(tǒng)依賴于SLAM——即時(shí)定位與地圖構(gòu)建 (simultaneous localization and mapping algorithms), 它會(huì)自動(dòng)執(zhí)行很大一部分的掃描工作流程。
這個(gè)自動(dòng)化流程使得傳統(tǒng)掃描專家很難理解移動(dòng)掃描系統(tǒng)到底是如何生成最終的點(diǎn)云的，或者現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)該如何規(guī)劃他們的工作流程以確保高質(zhì)量的交付成果。
但移動(dòng)掃描的數(shù)據(jù)質(zhì)量究竟如何呢？
SLAM 究竟是什么？
NavVis
SLAM (simultaneous localization and mapping),也稱為CML (Concurrent Mapping and Localization), 即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，或并發(fā)建圖與定位。
問(wèn)題可以描述為：
將一個(gè)掃描儀器放入未知環(huán)境中的未知位置，是否有辦法讓掃描儀器一邊移動(dòng)一邊逐步描繪出此環(huán)境完全的地圖，所謂完全的地圖（a consistent map）是指不受障礙行進(jìn)到房間可進(jìn)入的每個(gè)角落。
答案：
SLAM 是一種算法，用于融合您的移動(dòng)掃描系統(tǒng)的傳感器（激光雷達(dá)、RGB 相機(jī)、IMU 等等）所捕捉的數(shù)據(jù)，并最終確定您在建筑物中移動(dòng)產(chǎn)生的掃描軌跡。
簡(jiǎn)而言之：當(dāng)您在初始化系統(tǒng)時(shí)，SLAM 算法會(huì)使用傳感器數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)觀察周圍環(huán)境，并精準(zhǔn)地估計(jì)您的當(dāng)前位置。
使用NavVis設(shè)備在掃描過(guò)程中實(shí)時(shí)查看已掃描區(qū)域
當(dāng)您在移動(dòng)時(shí), SLAM將根據(jù)您所在之前位置的估算值與系統(tǒng)傳感器所回傳的數(shù)據(jù)值進(jìn)行對(duì)比，重新計(jì)算您的當(dāng)前位置。將此過(guò)程不斷重復(fù)，SLAM 系統(tǒng)將最終追蹤您在建筑物中行走的路徑。
SLAM 是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程——即使上述簡(jiǎn)化的解釋也有些復(fù)雜，但您可以將其想象為測(cè)繪方法中常說(shuō)的“穿越法”。
穿越法（traverse method）是指，測(cè)繪人員會(huì)沿著觀察路線對(duì)許多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)繪人員對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，他們會(huì)利用之前的點(diǎn)作為測(cè)量的基準(zhǔn)。
SLAM算法有點(diǎn)類似于這種方法只是它會(huì)在每秒進(jìn)行大量的精準(zhǔn)計(jì)算。換句話說(shuō)，SLAM 算法是一種尖端的技術(shù)，在移動(dòng)時(shí)自動(dòng)執(zhí)行路線穿越。
SLAM 之對(duì)掃描精度的影響
NavVis
想要了解一個(gè)基于SLAM 算法的設(shè)備的掃描精度，你需要了解移動(dòng)掃描系統(tǒng)究竟是如何捕捉數(shù)據(jù)的。
一個(gè)架站儀(TLS) 在捕捉一個(gè)環(huán)境時(shí)通過(guò)激光傳感器的360°旋轉(zhuǎn)測(cè)量其周邊環(huán)境。由于它是從一個(gè)固定的點(diǎn)來(lái)采集數(shù)據(jù)的，它所捕獲的點(diǎn)云中的每個(gè)測(cè)量值都已經(jīng)在空間中相對(duì)于掃描儀做了精準(zhǔn)的對(duì)齊。
地面激光掃描儀
一個(gè)移動(dòng)掃描系統(tǒng) (Mobile mapping system)也是靠激光傳感器的360°旋轉(zhuǎn)，但不是從一個(gè)固定的位置。由于您是在移動(dòng)（行走）過(guò)程中進(jìn)行掃描，您在傳感器旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，同時(shí)也在移動(dòng)傳感器。這會(huì)導(dǎo)致每次測(cè)量的對(duì)齊錯(cuò)誤，并降低最終點(diǎn)云的精度。
NavVis 移動(dòng)掃描設(shè)備：VLX & M6
當(dāng)我們?cè)谝归g照相的時(shí)候，當(dāng)您不小心挪動(dòng)了照相機(jī)，就會(huì)造成照片模糊，其實(shí)是一個(gè)非常類似的現(xiàn)象。
夜間拍攝輕微挪動(dòng)會(huì)導(dǎo)致照片模糊
同理而言，當(dāng)您看到未經(jīng)SLAM算法處理過(guò)的移動(dòng)掃描儀器捕獲的原始數(shù)據(jù)的時(shí)候，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)非常的凌亂，并且在空間各處分散開來(lái)并且加倍的存在。
SLAM 之精度誤差
NavVis
開發(fā)SLAM 算法來(lái)準(zhǔn)確記錄您的掃描軌跡并生成高質(zhì)量的點(diǎn)云，制造商一直面臨著一個(gè)具體大的挑戰(zhàn)即如何糾正兩種主要誤差。
跟蹤誤差
TRACKING ERROR
當(dāng)SLAM算法在某些環(huán)境中會(huì)遇到一些問(wèn)題時(shí)，即會(huì)發(fā)生跟蹤誤差。例如，長(zhǎng)走廊通常缺乏SLAM 所依賴的環(huán)境特征，就可能會(huì)導(dǎo)致掃描系統(tǒng)失去您所在位置的跟蹤。
偏移誤差
DRIFT ERROR
發(fā)生偏移誤差是因?yàn)镾LAM 算法利用傳感器數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算您的位置，并且所有傳感器都會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。由于SLAM 算法的計(jì)算方式——基于之前位置來(lái)計(jì)算每個(gè)位置，例如“穿越法”——傳感器產(chǎn)生的錯(cuò)誤會(huì)在您掃描的過(guò)程中累積起來(lái)。最終導(dǎo)致了掃描軌跡的準(zhǔn)確性的“偏移誤差”從而影響了您最終掃描結(jié)果的質(zhì)量 。
如果您是使用早期的移動(dòng)掃描系統(tǒng)，這些錯(cuò)誤很可能會(huì)影響您的最終數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
工作流確保高質(zhì)量結(jié)果
NavVis
好消息是移動(dòng)掃描系統(tǒng)自進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)已經(jīng)逐漸成熟。制造商開發(fā)了成熟的SLAM 算法來(lái)自動(dòng)減少跟蹤誤差及偏移誤差。并且移動(dòng)掃描員可以遵循可靠的工作流程來(lái)手動(dòng)更正誤差，做到最大程度地提高最終獲取的點(diǎn)云質(zhì)量。
最為流行的工作流程叫做“閉環(huán)掃描”。執(zhí)行“閉環(huán)掃描”，只需要簡(jiǎn)單地回到一個(gè)之前掃描過(guò)的點(diǎn)，然后SLAM 將會(huì)識(shí)別這個(gè)重疊點(diǎn)。此步驟提供了其所需的信息來(lái)計(jì)算已發(fā)生地任何偏移誤差或跟蹤誤差并進(jìn)行糾正。
此圖說(shuō)明了NavVis精度SLAM技術(shù)對(duì)掃描結(jié)果的影響。左圖是以傳統(tǒng)SLAM系統(tǒng)掃描的一條長(zhǎng)走廊，可以看見明顯的漂移誤差 (Drift error)。藍(lán)線輪廓展現(xiàn)了掃描設(shè)備的真實(shí)結(jié)構(gòu)。右圖則展現(xiàn)NavVis VLX/M6使用精度SLAM 科技大幅度提升掃描精度。
盡管閉環(huán)掃描在大型空間中（譬如健身房、室外區(qū)域、甚至大型辦公室）是有效的，但某些環(huán)境會(huì)使閉環(huán)掃描變得異常困難，譬如上述所說(shuō)的長(zhǎng)走廊。
對(duì)于這些情況,更先進(jìn)的移動(dòng)掃描系統(tǒng)提供了一個(gè)功能及利用控制點(diǎn)來(lái)鎖定掃描數(shù)據(jù)。
兩種方式確保掃描精度：控制點(diǎn) & 閉環(huán)掃描
這個(gè)過(guò)程也非常簡(jiǎn)單：即在整個(gè)要掃描的建筑物中放置測(cè)量控制點(diǎn)（靶點(diǎn)坐標(biāo)）。
利用一個(gè)比移動(dòng)掃描系統(tǒng)精準(zhǔn)度更高的系統(tǒng)譬如說(shuō)全站儀捕捉其坐標(biāo)。
在您掃描建筑物的同時(shí)，捕捉這些控制點(diǎn)。移動(dòng)掃描系統(tǒng)會(huì)利用這些信息將捕捉的點(diǎn)云進(jìn)行處理，減少誤差，并確保在異常困難的環(huán)境中也可以生成測(cè)繪級(jí)精度的點(diǎn)云。當(dāng)精度至關(guān)重要的時(shí)候，掃描者可以使用這個(gè)方式。
SLAM 算法至關(guān)重要
NavVis
需要注意的是，每個(gè)制造商在其移動(dòng)掃描系統(tǒng)中都有自己專有的SLAM算法。每一個(gè)算法在表面上看起來(lái)都非常相似，但它們之間的差異可能意味著最終數(shù)據(jù)的質(zhì)量會(huì)有巨大的差異。
這也是為什么，為確保高質(zhì)量的掃描結(jié)果，您在購(gòu)買過(guò)程中需要研究每個(gè)移動(dòng)掃描系統(tǒng)，并了解背后的SLAM算法的具體細(xì)節(jié)；了解其SLAM算法支持哪些方法來(lái)更正誤差。
了解SLAM 算法支持哪些誤差修正方式：是否支持“閉環(huán)掃描”，或者“控制點(diǎn)”？這些方式在您掃描的環(huán)境下的工作表現(xiàn)如何？制造商如何宣傳通過(guò)這些方式您可以達(dá)到的局部精度和全局精度？
了解在特殊環(huán)境下，SLAM 算法的性能如何：例如在長(zhǎng)走廊這種情況下所獲得的精度如何？又譬如在大型開放區(qū)域？其算法是如何處理反射表面的？或相對(duì)于移動(dòng)物體，譬如說(shuō)路過(guò)的行人的處理又是如何？在不同的環(huán)境下表現(xiàn)都會(huì)很好嗎？
此類問(wèn)題的答案，將會(huì)告訴您在使用其移動(dòng)掃描設(shè)備時(shí)所能期望的數(shù)據(jù)質(zhì)量，并幫助您找到一種適應(yīng)您日常工作中不同環(huán)境下可以使用的設(shè)備。
End
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