Simultánna lokalizácia a mapovanie (Simultaneous Localization And Mapping, SLAM) je technológia, ktorá umožňuje nástroju zostaviť mapu neznámeho prostredia a súčasne v ňom určiť svoju vlastnú polohu. Na dosiahnutie tohto cieľa využíva informácie pochádzajúce z rôznych typov snímačov. Pohybovým snímačom môže byť napr. inerciálna meracia jednotka (Inertial Measurement Unit, IMU), ktorá sa používa na odhad začiatočnej polohy. Avšak ani tieto merania nie sú bezchybné. Preto sú doplnené aj o informácie z iných snímačov, ako je LiDAR, ktoré sa používajú na korekciu polohy danej z IMU. Celý proces potom pozostáva z niekoľkých krokov. Ide o to, aby sa pomocou skenovaného prostredia aktualizovala poloha skenera. Laserový skener získava údaje o prostredí, z ktorého sú extrahované charakteristické znaky. Prístroj meria polohu prvkov pomocou LiDAR. Pri zmene polohy skenera sa nová približná poloha získa pomocou inerciálnej navigácie. V novej pozícii sú funkcie opäť extrahované z prostredia. Algoritmus priraďuje tieto znaky k znakom pozorovaným z predchádzajúcich pozícií a pozorované znaky sa používajú na opravu novej polohy. Prvky, ktoré predtým neboli viditeľné, sa pridajú ako nové pozorovania, aby ich bolo možné neskôr znova pozorovať. A tak ďalej pri každej novej zmene pozície.

SLAM je vlastne skupina algoritmov, ktoré spracovávajú dáta zachytené z viacerých snímačov. Existujú rôzne typy snímačov alebo zdrojov informácií, ako je IMU, 2D alebo 3D LiDAR, fotogrametria (známa ako VSLAM) a mnoho ďalších podľa použitia.

Pri 3D skenovaní (mobilné mapovanie) algoritmy SLAM kombinujú a používajú súbory údajov zozbieraných z jedného alebo viacerých týchto zdrojov na sledovanie polohy skenera, a to všetko pri vytváraní presného, úplného 3D mračna bodov okolitého prostredia. 3D skenery založené na SLAM môžu pracovať na miestach, kde nie sú dostupné signály GPS alebo GNSS, pričom uľahčujú rýchle 3D skenovanie veľkých oblastí, ako sú staveniská a podzemné priestory, ale napríklad aj bežné priemyselné haly.

Dostupné hardvérové riešenia

Na trhu je dostupných niekoľko mobilných laserových skenerov, ktoré využívajú SLAM. Riešenie ponúka napríklad BLK2GO od Leica. Je to malý ručný laserový skener pre vnútorné aj vonkajšie prostredie s dosahom 25 metrov. Ďalšiu možnosť predstavila spoločnosť FARO. Svoje portfólio rozšírila o mobilný 3D priestorový skener do interiéru Focus Swift. Ide v podstate o pozemný 3D mobilný skener osadený kolieskami a kombinovaný s 2D mapovačom a algoritmami SLAM. Dosah zariadenia je až 350 metrov. Skener ZEB horizon LiDAR od spoločnosti GeoSLAM je navrhnutý na vonkajšie aj vnútorné použitie s dosahom 100 metrov. V neposlednom rade spoločnosť NavVis ponúka samostatné riešenie skenovania VLX. Ide o nositeľný laserový priestorový skener vhodný na skenovanie v interiéri s vysokou rýchlosťou skenovania. Systém SLAM kombinuje dva viacvrstvové senzory LiDAR a štyri kamery na 360° snímanie (umiestnené nad hlavou operátora, aby sa nedostal do zorného poľa) so zabudovanou obrazovkou. Dosah zariadenia je 100 metrov.

Mobilné mapovacie systémy, ktorým sa venujeme v tomto článku, sú dostupné v rôznych vyhotoveniach. Môžu byť držané v ruke, integrované do batohu alebo umiestnené na vozíkoch alebo autách.

Výhody technológie SLAM

Jednou z hlavných výhod mobilných skenerov SLAM je, že fungujú na miestach, kde sú signály GPS alebo GNSS príliš slabé alebo nedostupné, pričom mnohé iné 3D priestorové skenery sa spoliehajú práve na tieto signály. Mobilné mapovacie systémy sú pomerne rýchle, pretože technológia SLAM spracováva vizuálne údaje, keď sa operátor alebo vozidlo pohybuje po mieste. Na nastavenie statívu a synchronizáciu medzi jednotlivými polohami nie je potrebný žiadny čas.

Pracovný postup skenovania SLAM-LiDAR možno zredukovať na spustenie skenera, jeho zdvihnutie alebo nosenie a následné pokrytie požadovanej podlahovej plochy. Rýchlosť a jednoduchosť použitia prispieva k celkovej cenovej dostupnosti SLAM 3D skenovania. Hoci samotný hardvér nie je lacný, zníženie požiadaviek a potrebnej práce môže znížiť celkové náklady na projekt. V neposlednom rade interiérové mobilné mapovacie riešenia často fungujú na dobíjateľných batériách a nevyžadujú žiadne externé napájanie zdroja.

Obmedzenia interiérových mobilných 3D skenerov SLAM

Obmedzením môže byť presnosť. Keďže skenovanie pomocou technológie SLAM sa vykonáva rýchlo a s častým premiestňovaním, SLAM nedokáže zachytiť údaje s rovnakou presnosťou ako statický laserový skener umiestnený na statíve. Mnohí poskytovatelia SLAM však tvrdia, že odchýlky v presnosti sú zanedbateľné a výrazne ich prevažujú celkové výhody.

Nevýhodou mobilných 3D skenerov môže byť aj neschopnosť prekonať členitý terén. To znamená, že niektoré oblasti, napríklad budovy s rozbitou podlahou, sa ťažko skenujú. Riešením však môže byť umiestnenie skenera na drone.

Hoci technológia SLAM vytvára nákladovo efektívne riešenie na rýchlejšie získavanie 3D modelu zo skenovania, jednotkové ceny môžu byť pre malé podniky alebo pre tých, ktorí vyžadujú možnosti 3D skenovania len príležitostne, neúmerné.

SLAM alebo stacionárny skener?

Statické pozemné laserové skenovanie je proces zachytávania skenovaných údajov z pevných miest. Proces sa zvyčajne začína nastavením systému LiDAR na statíve, skenovaním, premiestnením systému na iné miesto. Následne sa pomocou softvéru spoja všetky zachytené údaje do 3D modelu.

Mobilné mapovacie systémy SLAM majú v porovnaní s pozemným skenovaním množstvo výhod, avšak aj tí najväčší vyznávači SLAM pripustia, že stacionárne skenovanie môže za určitých okolností priniesť lepšie výsledky ako SLAM, ktorý sa spolieha na neustály pohyb skenera. Vo všeobecnosti môže byť statické pozemné laserové skenovanie vhodnejšie ako SLAM, ak je potrebná presnosť a ak je mimoriadne dôležité vysoko husté mračno bodov, čo má prednosť pred inými faktormi, ako je rýchlosť a rozpočet.

Zdroje

[1] Explaining the tools and technology behind mobile mapping devices. NavVis. [online]. Publikované 25. 8. 2020. Citované 28. 4. 2023.

[2] Everything you need to know about 3D mobile mapping. NavVis. [online]. Publikované 9. 2. 2023. Citované 28. 4. 2023.

[3] SLAM 3D scanners and iMMs: a comprehensive guide. Aniwaa. [online]. Publikované 28. 7. 2020. Citované 28. 4. 2023.

-pev-