3D Modelling of Buildings and Environments using Laser Scanning and Surface Reconstruction

Abstract

ABSTRACT: 3D models of environments and buildings are widely used in Geographical Information Systems (GIS), building information models, constructional management, environmental planning, city guides, path finding and Robotic applications, where the accuracy of data collection and resolution of the 3D model have been the main concern. 3D models of buildings and other objects can be constructed by following three main steps, namely, data acquisition, alignment and surface reconstruction. This project aims at introducing the process of forming a 3-D model from 3-D scan data and describing the data acquisition, alignment and surface reconstruction sequences in detail. Hardware and software design and implementation has been made for each stage of the 3D modelling process and a full grasp of the system is achieved. However, due to the complexity of the system, and also due to time limitation, it was not possible to achieve sufficient performance from the designed system. Instead, a commercial 3D laser scanner was used for the sake of completing the requirements of the 3D Modelling process with a reasonable performance. Current data acquisition systems have been reviewed and compared to discuss their advantages and drawbacks, as a result of which, 3D laser scanner has been chosen to be the most accurate and fast data acquisition system appropriate for scanning indoor and outdoor environments. Due to some limitations of the available 3D laser scanners, a commercial 1D-laser scanner has been converted into a 3D laser scanner, by designing and constructing a pan-tilt mechanism for the 3 axis control of the 1D laser scanner. The new 3D laser scanner is a simple and light in weight, which is easily adopted to a remote operating and monitoring Vehicle (ROMV) which has been designed in this project to add an indoor and outdoor mobility feature to the device. Although the new 3D Laser scanner operates properly, the accuracy and resolution of the scan results are not as expected yet. In order to complete the 3D modelling process with a reasonable accuracy and resolution, data acquisition is achieved by using the 3D laser scanner provided form the Stevens Institute of technology (CAD eye Scanner). This system is not only able to scan indoor and outdoor environments with acceptable resolution, but also it is able to collect RGB data corresponding to each scanned point in the scanned environment. For the Alignment or Registration of the acquired coordinate data obtained by the 3D Laser scanner, this research has used the semi- automatic method produced by an academic software tool called Mesh-lab. Point cloud model of the Techno park building was obtained by using professional software called Pointools. Surface reconstruction methods are investigated to obtain models with seamless and smooth surfaces from the point cloud model. It is realized that the existing methods fail to produce realistic surfaces under noisy data and a new method based on implicit surface reconstruction using isotropic basis functions has been developed to represent the sharp features more close to their real appearance. Some initial simple results of this method are presented in the thesis. A further work is needed to apply this method to reconstruct the surfaces of a complete 3D building model. Keywords: 3D Laser scanner, surface reconstruction, registration, radial basis functions, generalization..........

ÖZ: Çevrenin ve binaların 3B modelleri, Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS), bina bilişim modelleri, yapı yönetimi, çevre planlaması, şehir rehberleri, yol bulma ve Robotik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamalarda, veri toplamadaki doğruluk ve 3B modellerin çözünürlüğü en önemli ilgi odağıdır. Binaların ve diğer nesnelerin 3B modelleri, aşağıdaki üç ana aşamada oluşturulur: veri toplama, yerleştirme ve yüzeylerin düzeltilmesi. Bu proje, taranmış 3B verilerinden, 3B modelleri oluşturma sürecini anlatmayı ve veri toplama, yerleştirme ve yüzey düzeltme süreçlerini detaylı olarak tanımlamayı hedefler. 3B modelleme işleminin her aşaması ile ilgili çeşitli donanım ve yazılım tasarımları ve uygulamaları yapılmış ve sistem tümüyle kavranmıştır. Ancak, sistemin çok karmaşık bir yapıda olması ve zaman sınırlaması nedeniyle, tasarlanan sistemden yeterli performans elde edilememiştir. Bunun yanı sıra, 3B modellemenin tüm aşamalarını, makul bir performans ile gerçekleştirebilmek için, ticari bir 3B Lazer tarayıcı kullanılmıştır. Mevcut veri toplama sistemleri taranmış, avantaj lar ile dezavantajları karşılaştırılmış ve sonuç olarak, 3B Lazer tarayıcı, iç ve dış mekanları taramak için kullanılabilecek en doğru ve hızlı tarayıcı olarak seçilmiştir. Mevcut 3B Lazer tarayıcıların sınırlamaları göz önüne alınarak, ticari bir 1B lazer tarayıcının 3 eksenli kontrolünü yapan bir pan-tilt mekanizması tasarlanıp üretilmiş ve sonuçta, 1B tarayıcı, 3B tarayıcıya dönüştürülmüştür. Yeni 3B lazer tarayıcı, bu projede tasarlanan ve üretilen, uzaktan kumandalı ve göstergeli araç’a (UKGA) kolaylıkla adapte edilebilen basit ve hafif bir yapıdadır. Yeni 3B Lazer tarayıcı, düzgün çalışmakla birlikte, tarama sonuçlarının doğruluğu ve çözünürlüğü henüz beklendiği gibi değildir. 3B modelleme sürecini, makul bir doğrulukla tamamlayabilmek için, Stevens Teknoloji Enstitüsünden sağlanan 3B Lazer tarayıcı (Cade Eye Tarayıcı) kullanılmıştır. Bu sistem yalnızca iç ve dış mekanları, kabul edilebilir bir doğrulukla taramakla kalmayıp, aynı zamanda, taranan bölgedeki her noktanın RGB verilerini de toplayabilmektedir. 3B lazer tarayıcı tarafından toplanan verilerin yerleştirilmesi veya kaydedilmesi işleminde, Meshlab isimli bir akademik yazılım aracı tarafından üretilen, yarı-otomatik bir yöntem kullanılmıştır. Teknopark binasının nokta bulutu modeli, Pointools adlı bir profesyonel yazılım kullanılarak oluşturulmuştur. Nokta bulutu modelinden, kesintisiz ve düzgün yüzeyler elde edebilmek için, yüzey düzeltme yöntemleri araştırılmıştır. Mevcut yöntemlerin, gürültülü veriler altında, gerçekçi yüzeyler üretmekte başarısız olduğu anlaşılmış ve, keskin özelliklerin gerçek görüntülerine daha yakın temsil edilebilmesi için, izotropik tabanlı fonksiyonlar kullanan örtülü yüzey düzeltme yöntemini esas alan yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemin bazı başlangıç düzeyindeki basit uygulamaları bu tezde sunulmuştur, ancak, bu yöntemin bir binanın tamamının 3B modeline uygulanabilmesi için daha ileri çalışmalara ihtiyaç vardır. Anahtar Kelimeler: 3D Lazer tarayıcı, yüzey geriçatımı yerleştirilme, radial taban fonksiyonları, genelleme.