Νέφος σημείων

Τα νέφη σημείων αποτελούν μια βασική μορφή αναπαράστασης τρισδιάστατων (3D) δεδομένων, χρησιμοποιούμενη για την αποτύπωση γεωμετρικών αντικειμένων και περιβαλλόντωνRusu & Cousins, 2011; Poux et al., 2017.. Κάθε σημείο ενός νέφους σημείων χαρακτηρίζεται από τις συντεταγμένες x, y, z, ενώ συχνά συνοδεύεται από πληροφορίες όπως είναι το χρώμαGlira et al., 2017; Hackel et al., 2017.. Τα νέφη σημείων αποτελούν τη βάση για ανάλυση, ανακατασκευή και οπτικοποίηση τρισδιάστατων χώρων σε πολλούς τομείς, όπως η ρομποτική, η αρχιτεκτονική, η πολεοδομία, η εικονική  επαυξημένη πραγματικότητα (VR/AR) και η διατήρηση πολιτιστικής κληρονομιάςGuidi et al., 2004; Snavely et al., 2008; Wehr & Lohr, 1999

Η εξέλιξη των τεχνολογιών σάρωσης και η αύξηση της υπολογιστικής ισχύος έχουν καταστήσει δυνατή τη συλλογή και επεξεργασία τεράστιων νεφών σημείων με εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια σημείαVosselman & Maas, 2010; Rusu et al., 2008.. Αυτό έχει οδηγήσει σε νέα πεδία έρευνας, όπως η αυτόματη ταξινόμηση σημείων, η ανίχνευση αντικειμένων και η ενοποίηση δεδομένων από διαφορετικές πηγέςBesl & McKay, 1992; Hackel et al., 2017..

Τεχνολογία

LiDAR
Η τεχνολογία LiDAR (Light Detection and Ranging) βασίζεται στην εκπομπή παλμών λέιζερ και στη μέτρηση του χρόνου επιστροφής τους από τα αντικείμενα, επιτρέποντας την ακριβή ανακατασκευή τρισδιάστατων επιφανειώνWehr & Lohr, 1999; Vosselman & Maas, 2010. Τα δεδομένα αυτά προσφέρουν λεπτομέρεια και πυκνότητα σημείων, ενώ οι πληροφορίες έντασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ταξινόμηση επιφανειών και αναγνώριση υλικώνPoux et al., 2017; Glira et al., 2017.. Η χρήση πολλαπλών σαρωτών ή σάρωσης από διαφορετικές γωνίες αυξάνει την ακρίβεια και μειώνει κενά στα δεδομέναRusu & Cousins, 2011; Hackel et al., 2017.

Φωτογραμμετρία
Η φωτογραμμετρία ανακατασκευάζει τρισδιάστατα μοντέλα από πολλαπλές εικόνες χρησιμοποιώντας τεχνικές Structure-from-Motion (SfM) και Multi-View Stereo (MVS)Remondino & El-Hakim, 2006; Snavely et al., 2008. Η μέθοδος είναι πιο οικονομική από το LiDAR και ευέλικτη σε περιοχές όπου η χρήση λέιζερ είναι δύσκολη ή αδύνατηGuidi et al., 2004.. Παράλληλα, η ακρίβεια εξαρτάται από την ποιότητα των εικόνων και τη γεωμετρία λήψης, ενώ οι αλγόριθμοι MVS μπορούν να παράγουν πυκνά νέφη σημείων υψηλής ανάλυσηςRemondino & El-Hakim, 2006; Poux et al., 2017).

Σύντηξη δεδομένων
Η σύντηξη δεδομένων από διαφορετικές πηγές, όπως LiDAR και φωτογραμμετρία, αυξάνει την πυκνότητα και την ποιότητα των νεφών σημείωνGlira et al., 2017; Hackel et al., 2017. Η διαδικασία απαιτεί τεχνικές ευθυγράμμισης διαφορετικών νεφών σημείων στο ίδιο πλαίσιο αναφοράςBesl & McKay, 1992; Rusu et al., 2008. Εδώ χρησιμοποιούνται ευρέως οι αλγόριθμοι ICP (Iterative Closest Point)Νίκος Καραµπατζιάκης (20 Οκτωβρίου 2005) Αλγόριθµοι Ευθυγράµµισης Τρισδιάστατων Αντικειµένων, Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών, Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών  για την επίτευξη ακριβούς ευθυγράμμισης μεταξύ σαρωμένων δεδομένωνBesl & McKay, 1992.

Προκαταρκτική επεξεργασία
Το φιλτράρισμα και η αποθορυβοποίηση (denoising) αποτελεί βασικό στάδιο στην επεξεργασία των νεφών σημείων, καθώς μειώνει σφάλματα μέτρησης και ανωμαλίεςHackel et al., 2017; Poux et al., 2017. Επιπλέον, η υποδειγματοληψία (downsampling)Η υποδειγματοληψία είναι η διαδικασία επιλογής ενός μικρότερου, αντιπροσωπευτικού συνόλου από έναν μεγαλύτερο πληθυσμό, ή η μείωση του αριθμού των στοιχείων ενός συνόλου (π.χ. pixels σε μια εικόνα) για σκοπούς ανάλυσης, επεξεργασίας ή για τη μείωση του μεγέθους ενός αρχείου και η μείωση του πλήθους σημείων είναι απαραίτητες για αποδοτική επεξεργασία και αποθήκευσηGlira et al., 2017..

Εφαρμογές
Αρχιτεκτονική και πολεοδομία
Στην αρχιτεκτονική και την πολεοδομία, τα νέφη σημείων χρησιμοποιούνται για καταγραφή κτηρίων, ανακατασκευή μνημείων και 3D μοντελοποίηση πόλεωνSnavely et al., 2008; Guidi et al., 2004; Vosselman & Maas, 2010.. Επιτρέπουν την εκτίμηση φθορών, την ανάλυση αστικών περιοχών και τη βελτιστοποίηση σχεδιαστικών επιλογώνWehr & Lohr, 1999..

Ρομποτική και αυτόνομη οδήγηση
Τα νέφη σημείων χρησιμοποιούνται σε συστήματα SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), στην πλοήγηση και την αποφυγή εμποδίωνRusu et al., 2008; Hackel et al., 2017.. Η ανάλυση 3D δεδομένων επιτρέπει την αναγνώριση αντικειμένων και τη λήψη αποφάσεων σε πραγματικό χρόνο για αυτόνομα οχήματα και ρομπότGlira et al., 2017; Poux et al., 2017..

Πολιτιστική κληρονομιά
Η ψηφιακή τεκμηρίωση με νέφη σημείων προσφέρει υψηλής πιστότητας ανακατασκευές αρχαιολογικών και ιστορικών χώρων, χωρίς την ανάγκη φυσικής παρέμβασηςGuidi et al., 2004; Remondino & El-Hakim, 2006.. Αυτό επιτρέπει την ανάλυση, συντήρηση και διάσωση της  πολιτιστικής κληρονομιάς σε ψηφιακή μορφήSnavely et al., 2008..

Τρισδιάστατη ανάλυση περιβάλλοντος
Τα νέφη σημείων χρησιμοποιούνται, επίσης, στην ανάλυση φυσικών περιβαλλόντων, όπως δάση, γεωμορφολογικές δομές και περιβαλλοντικές διεργασίες, παρέχοντας δυνατότητες μέτρησης όγκου, παρακολούθησης αλλαγών και περιβαλλοντικής παρατήρησηςWehr & Lohr, 1999; Vosselman & Maas, 2010..

Μελλοντικές κατευθύνσεις
Η επεξεργασία νεφών σημείων απαιτεί μεγάλη υπολογιστική ισχύ και αποθηκευτικό χώροHackel et al., 2017.. Η ευθυγράμμιση πολλαπλών σαρώσεων, η αποθορυβοποίηση και η αναγνώριση αντικειμένων παραμένουν σύνθετες διαδικασίες. Η τυποποίηση μορφών δεδομένων, η βελτίωση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης και η ανάπτυξη αποδοτικών μεθόδων συμπίεσης είναι κρίσιμες για τη μελλοντική εξέλιξη των νεφών σημείωνGlira et al., 2017; Hackel et al., 2017; Poux et al., 2017..

Η έρευνα συνεχίζει να επικεντρώνεται στην αυτόματη ταξινόμηση σημείων, στην αύξηση της πυκνότητας και ακρίβειας των δεδομένων, καθώς και στη βελτίωση της ενσωμάτωσης δεδομένων από πολλαπλές πηγέςRusu & Cousins, 2011; Hackel et al., 2017..

Παραπομπές σημειώσεις

Βιβλιογραφία
Besl, P. J., & McKay, N. D. (1992). A Method for Registration of 3-D Shapes. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 14(2), 239–256. https://doi.org/10.1109/34.121791
Glira, P., Pfeifer, N., Briese, C., & Stötter, J. (2017). Multi-sensor point cloud registration. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 123, 45–56. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2016.11.010
Guidi, G., Russo, M., & Beraldin, J.-A. (2004). Acquiring 3D models of complex cultural heritage sites. CIPA 2003 International Symposium. ISBN 978-2-940361-88-2
Hackel, T., Savinov, N., Ladicky, L., Wegner, J. D., Schindler, K., & Pollefeys, M. (2017). Semantic3D.net: A new large-scale point cloud classification benchmark. ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, IV-1-W1, 91–98. https://doi.org/10.5194/isprs-annals-IV-1-W1-91-2017
Poux, F., Bacher, A., & Briottet, X. (2017). Point cloud processing: Overview and methods. Remote Sensing, 9(5), 456. https://doi.org/10.3390/rs9050456
Remondino, F., & El-Hakim, S. (2006). Image-based 3D modelling: A review. The Photogrammetric Record, 21(115), 269–291. https://doi.org/10.1111/j.1477-9730.2006.00383.x
Rusu, R. B., & Cousins, S. (2011). 3D is here: Point Cloud Library (PCL). IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 1–4. https://doi.org/10.1109/ICRA.2011.5980567
Rusu, R. B., Marton, Z. C., Blodow, N., & Beetz, M. (2008). Learning informative point classes for the acquisition of object model maps. Proceedings of the 10th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV), 643–650. https://doi.org/10.1109/ICARCV.2008.4762977
Snavely, N., Seitz, S. M., & Szeliski, R. (2008). *Modeling the world from internet photo collections. International Journal of Computer Vision, 80, 189–210. https://doi.org/10.1007/s11263-007-0107-3

Vosselman, G., & Maas, H.-G. (2010). Airborne and Terrestrial Laser Scanning. CRC Press. ISBN 978-0-415-47295-2
Wehr, A., & Lohr, U. (1999). Airborne laser scanning—an introduction and overview. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 54(2–3), 68–82. https://doi.org/10.1016/S0924-2716(99)00011-8

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
Μπέτσας, Θεόδωρος, Αυτοματοποιημένος εντοπισμός ακμών σε νέφη σημείων με τη βοήθεια σημασιολογικής πληροφορίας. http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20788
Μελίτου Μαρία 2024 Ευθυγράμμιση τρισδιάστατων νεφών σημείων δασικής έκτασης που προέρχονται από διαφορετικές τεχνικές συλλογής δεδομένων με χρήση τοπικών περιγραφέων, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

Κατηγορία:Τρισδιάστατες απεικονίσεις