Mô hình điểm đám mây (The point cloud)

Point cloud là tập hợp các điểm (x,y,z) trong không gian được tạo bởi máy Scan 3D, dựa trên một điểm gốc được xác định trước.


Ngoài các điểm tọa độ (x,y,z), nội dung một file Point Cloud còn có nhiều thứ nhưng kỹ sư xây dựng chắc chỉ cần biết thêm:
Mật độ điểm point/mm²
Độ chính xác 1 point/… mm
Màu sắc Red-Green-Blue
Hình ảnh dưới dạng vector
Máy scan laser vừa nhanh hơn vừa có màu, trung bình khoảng năm phút quét được 3600, 1 giây chiến được khoảng 1 triệu điểm, đồng thời chụp màu cho điểm luôn. Kết quả là bạn có một cái file bề mặt của hiện trạng mà bạn scan.

Máy Scan Laser đo khoảng cách (d) bằng laser về lý thuyết thì dựa trên phản xa của tia laser trên bề bặt của vật thể cần đo, sử dụng một trông ba 3 công nghệ chính là :
1. Thời gian bay dt : đo thời gian đi-về (dt) của chùm laser để tính khoảng cách d = c*dt/2, c là vận tốc ánh sang ~3.10^8 m/s
2. Đo phase : tính khoảng cách (d) dựa trên độ dịch phase (dj) giữa sóng phát đi và sóng thu về d = di*c/4*pi*f, f là tần số của sóng quang
3. phương pháp tam giác: máy phát chùm laser và máy nhận đặt cách nhau khoảng cách D, khoảng cách từ máy đến bề mặt (d) được tính dựa trên vị trí của chùm laser đến trên máy nhận (p,f) d = D / (tan(a) + p/f)
Hiện tại các máy scanner 3D này còn rất đắt, khoảng 30.000-40.000 USD, hiện có một số máy scanner phổ biến như:
FARO, www.faro.com
Leica Geosystems, www.leica-geosystems.com
Trimble, www.trimble.com
Topcon, www.topcon.com
Riegl, www.riegl.com
Zoller+Frölich, http://www.zf-laser.com


Point cloud chỉ là tập hợp các điểm có màu của bề ngoài một vật được scan mang mô hình (object + data). 


Thông thường, một công trình phải được scan tại nhiều điểm khác nhau, ví dụ bên trong thì đặt máy quét từng phòng, từng tầng, bên ngoài thì quét từng mặt…Tương ứng với mỗi điểm sẽ có 1 file point cloud. Point cloud tại từng điểm scan này được hiệu chỉnh nhiều như xóa các điểm không cần thiết. Sau đấy các file này sẽ được gom lại thành một file để có được Point Cloud cho toàn bộ công trình. 
Các kỹ sư trắc địa thường dùng các phần mềm đi kèm với máy scan của mình như FARO thì có SCENCE, Trimble thì có RealWorks… phân tích và chỉnh sửa để tạo ra bản 3D cuối cùng có thể sử dụng.

Các bước tiến hành cho dự án dùng 3D Scan là:
1. Bước 1 là Scan công trình hay thực địa bằng máy scan 3D để tạo point cloud.
2. Bước 2 là phân tích và xử lý Point cloud (xem trên)
3. Bước 3 là các ứng dụng có thể (xem dưới)

Thứ nhất là cho các dự án xây mới, nếu là dự án xây chen giữa các công trình hiện hữu khác thì việc 3D Scan lại các tòa nhà xung quan này có thể giúp bạn làm 2 việc quan trọng:

1. Khi thiết kế, chèn cái công trình của mình vào môi trường thực để xem thử công trình mình có bị chồng chéo lên cái gì không. Đặc biệt là với nhà xây chen, cái này khá quan trọng.

Kinh nghiệm là khi khảo sát lô đất có nhà xung quanh bằng máy toàn đạc 2D, bên trắc địa thường chỉ quan tâm đến cao trình ở mặt đất và xem như là các tường nhà xung quanh là tuyệt đối thẳng đứng.

Thực tế là các tường này nhiều khi thò ra thụt vào hơi nhiều, nhất là các tường gạch cổ và cũ. Nên nhiều công trình khi xây ở tầng trệt thì OK, lên đến tầng 2 tầng 3 thì phải đập tường nhà hàng xóm nếu muốn giữ nguyên thiết kế. Mà điều này là không khả thi nên phải dừng công trình và chờ thiết kế mới, dĩ nhiên cái gì không dự báo trước đều phải trả bằng tiền và thời gian. Có khi rất đắt. 


2. Ứng dụng thứ 2 là làm “hồ sơ hiện trạng”.

Trước khi bạn bắt đầu thi công, bạn phải làm một bộ hồ sơ hiện trạng của các nhà xung quanh. Trước khi có Scan 3D thì bạn phải đi chụp hình, ghi chú chỗ này bị nứt, bề rộng, độ sâu… Khi có 3D scan, bạn cũng phải chụp ảnh nhưng it hơn và đưa file 3D point cloud vào hồ sơ hiện trạng.

Mục đích để làm gì ? để khi thi công, nhất là các công trình có tầng hầm sâu, bạn vừa đào vừa phải theo dõi sự thay đổi của (survey) các nhà xung quanh. Bạn cũng có cái để phòng khi hàng xóm sang khiếu nại.
Thứ hai là với các dự án nâng cấp, cải tạo. Cái 3D Scan hiện tại rất hữu ích cho thể loại dự án này. Để cho các bạn dễ hiểu, mình lấy một ví dụ từng bước
Đo đạc hiện trạng công trình, trước khi có Scan 3D, thường phải cần một équipe 4 đến 5 người để chuẩn bị hồ sơ cho hiện trạng công trình, ví dụ:
1 ông đi chụp ảnh
1 ông đi bắn điểm hiện trạng
2-3 ông đi đo và vẽ lại kết cấu, 1 ông đo không được, ngay cả đo khoảng cách với máy laser cầm tay cũng cần 2 người.
Đấy là chưa kể sau khi đo xong, về văn phòng bắt đầu vẽ lại thì thấy là thiếu cái này, quên cái kia lại phải lọ mọ ra lại công trình và đo thêm. Nói chung là vất vả trăm bề.

Với Scan 3D, đội làm hiện trạng này có thể giảm được 50% thời gian làm hồ sơ và 90% thời gian đi lại để cật nhập thông tin. Dùng máy Scan 3D ra, quét vài ngày là xong, đem point cloud về văn phòng dựng lại mô hình hiện trạng.

Hình dưới minh họa một công trình được Scan tại nhiều điểm, sau đó gộp lại và xử lý để có được 1 file tổng thể. Cái này được xử lý với Autodesk Recap, ít tính năng hơn Scence của Faro nhưng miễn phí.
Sau khi có Point Cloud hiện trạng của công trình, bạn có thể làm nhiều thứ, ví dụ như:
Dùng Point Cloud cho thiết kế các phương án cải tạo: vẽ lại hiện trạng trên revit để dễ dàng thiết kế. Dưới đây minh họa một số hình 3D Point Cloud đặt cạnh 3D design cho dễ hiểu.

Vẽ lại hiện trạng với Revit (hình trên) và kiểm tra, so sánh mô hình với point cloud hiện trạng (hình dưới).

\\



Về mặt kết cấu thì một khi có vị trí các dầm, sàn, bạn có thể vẽ lại để đánh giá khả năng chịu lực hiện tại của sàn. Trước 3D scan thì phải đi đo từng dầm, bây giờ thì đỡ hơn.

Bên phương pháp thi công cũng vậy, kỹ sư lập phương án thi công, ảnh chỉ ngồi văn phòng và đánh dấu tường nào cần đập, đập thế nào và theo thứ tự nào. Dĩ nhiên là trên 3D rồi.


Về phương diện cá nhân, các bạn có thể sử dụng 3D Scan khá dễ dàng mà không cần các máy 3D Scan siêu đắt ở trên là:
3D Scan với cái Xbox của Microsoft, https://www.microsoft.com/en-us/stor.../9nblggh68pmc#
Mua máy tính có công nghệ RealSense của Intel. Bây giờ có rất nhiều máy tính xách tay tích hợp webcam bằng công nghệ này. Bạn nên chú ý cho máy tính xách tay sắp tới của mình. http://www.intel.com/content/www/us/...-overview.html

Hoặc theo dõi Tango Project của google, https://get.google.com/tango/




Tác giả: Long Thang (Tal)