Kā Latvijā tapa lāzerskenēšanas risinājums, kas ļauj ietaupīt pat nedēļu laika  (3)

TSI kā zinātniskā institūcija regulāri sadarbojas ar uzņēmumiem, palīdzot tiem gan veikt nepieciešamos pētījumus, gan izstrādāt un pielietot inovatīvus risinājumus. Latvijas uzņēmums "3D Engineering" par savu sadarbības partneri izvēlējās TSI, lai izstrādātu risinājumu, kas palīdzēs paātrināt 3D datu ieguvi un apstrādi. Uzņēmumam ar Latvijas Investīciju un attīstības aģentūras (LIAA) starpniecību izdevās piesaistīt Eiropas struktūrfondu līdzfinansējumu, kā rezultātā tapa jauna ierīce, kas paaugstina 3D lāzerskenera darbības ātrumu.

3D lāzerskeneri tiek pielietoti, lai veidotu augstas precizitātes 3D modeļus dažādiem objektiem – sākot ar kādām mazām autodetaļām, beidzot ar ēkām, kuģiem un lidmašīnām. Modelis atkārto reālo objektu ar precizitāti līdz mikroniem, līdz ar to var tālāk virtuālajā vidē modelēt šī objekta apkopi, remontu, restaurāciju, paplašināšanu utt., kā arī ieplānot tāda paša objekta izveidi.

"Tehnoloģija ir samērā jauna," skaidro "3D Engineering" dibinātājs Reinis Točelovskis. Arhitektūras, inženierijas un būvniecības industrijai pieemērotas 3D tehnoloģijas parādījās ap 2011. gadu, un tad sākās šīs jomas transformācija no 2D uz 3D pieeju. Šo revolūciju, kas notiek tieši tagad, Reinis salīdzina ar to, kas notika 1990. gadu sākumā, kad tā pati industrija no rasēšanas galdiem pārgāja uz tādām tehnoloģijām kā "AutoCad" un kopumā uz digitālu pieeju.

3D dati ir pamats BIM projektiem. Tas ir būvniecības informācijas modelēšanas (Building Information Modeling) koncepts, kas dažās Eiropas valstīs jau ir pieņemts par standartu, un kopumā ir Eiropas prioritāte. Izveidot BIM projektu bez augstas precizitātes 3D datiem, kas iegūti ar lāzerskenera palīdzību, nav iespējams.

Reinis nodarbojas ar 3D datu ieguves un apstrādes jautājumiem kopš 2014. gada un kādā brīdī kopā ar kolēģiem sāka aktīvi domāt par to, kā šo procesu varētu paātrināt. Šķērslis 3D tehnoloģiju uzvarai ir tāds, ka šobrīd skenēšana un modelēšana prasa vairāk laika nekā būvēšana. "Reālā būvniecības projektā sanāk situācija, pie kuras būvnieks saka arhitektiem un inženieriem, kuri piedāvā 3D risinājumu: "Viss būtu forši, bet kamēr jūs modelējat pirmo stāvu, mēs esam jau uzbūvējuši trīs. Labāk paliekam šajā projektā pie 2D tehnoloģijām," saka Reinis.

Darbs ar 3D datiem tiek veikts vairākos posmos: datu ieguve, to nodošana arhitektam, to pārveidošana 3D modelī, ar ko var strādāt pārējie projekta dalībnieki, un citi posmi. Reinim un viņa kolēģiem ir idejas, kā uzlabot darbu visos posmos, bet sāka tieši ar datu ieguvi.

3D dati tiek iegūti ar konkrētu instrumentu – lāzerskeneri. Šajā gadījumā tie ir pasaulslavena ražotāja "Faro" skeneri. Skeneris strādā divos posmos. Pirmajā posmā skeneris izstaro lāzera staru, kurš atstarojas no priekšmetiem un palīdz izveidot punktu mākoni. Liels daudzums šo punktu, dažreiz miljoni, arī ir pamats datormodelim, kurš pilnībā atkārto skenēto objektu. Otrā posma laikā lāzerskeneris uzņem panorāmas bildi, ar kuras palīdzību pēc tam 3D modelis tiks iekrāsots, kas arī ir ļoti svarīgi modeļa kvalitātei. Skenēšana ar lāzeri, atkarībā no objekta lieluma un sarežģītības, var aizņemt no vienas līdz desmit minūtēm. Savukārt fotografēšana vienmēr prasa vienu un to pašu papildu laiku – aptuveni divas ar pusi minūtes.

"3D Engineering" komanda izdomāja, ka var izveidot atsevišķu ierīci, ko viņi dēvē par "3D Speed Up", kura uzņemtu bildes vienlaicīgi ar lāzera darbību, tādējādi ietaupot 2,5 minūtes katrā skenēšanas reizē jeb stacijā. Viena stacija ir vienā punktā nolikts skeneris, kurš griežas ap savu asi un veic skenēšanu. Pieņemsim, ka inženieru komandai ir jānoskenē liela ēka vai ražošanas teritorija, kas prasa 1000 stacijas. "Ja uz katras stacijas viņi ietaupa 2,5 minūtes, beigās sanāk ietaupīt 41 stundu – veselu darba nedēļu!" aprēķinus komentē Reinis.

Skan vienkārši: uzlikt uz skenera papildu panorāmas kameru, palaist to strādāt paralēli – dati iegūti, laiks ietaupīts. Protams, darbā ar ļoti augstas precizitātes datiem nekā vienkārša nav. Skenera lāzers kopā ar savu kameru datu ieguves brīdī "skatās" vienā un tajā pašā punktā, tāpēc to iegūtos datus var viegli savienot. Ja jaunā kamera tiek uzstādīta uz lāzerskenera korpusa, notiek centra nobīde. Lai šo nobīdi kompensētu un iegūtu labu mērījumu rezultātu, bija nepieciešams ļoti sarežģīts algoritms, kurš ņem vērā dažas optiskās nianses. "Mēs izvēlējamies TSI par savu partneri, jo šai zinātniskai organizācijai ir ļoti augsta kompetence, pieredze un zināšanas jautājumos, kas saistīti ar optiku," saka Reinis. Tā iesākās projekts, kurš ilga 11 mēnešus.

"TSI šis projekts izrādījās gan interesants, gan arī sarežģīts," atzīst institūta Zinātniskās daļas vadītājs Vladimirs Petrovs. Tas prasīja ļoti dažādas kompetences tādās jomās kā optika, elektronika, signālu apstrāde, programmēšana, programmatūras izstrāde, inženierija, 3D modelēšana, 3D druka. Pie projekta strādāja deviņu cilvēku komanda, ieskaitot TSI Zinātniskas daļas personālu, divus laboratoriju darbiniekus, vadošos TSI pētniekus un arī studentus.

"Pusgada laikā mēs veicām vairāk nekā 300 eksperimentus, savienojot mūsu izstrādāto ierīci kopā ar "Faro" lāzerskeneriem un testējot programmatūras algoritmu, kura galvenais izstrādātājs ir pieredzējušais TSI vadošais pētnieks un profesors Aleksandrs Grakovskis. Algoritms ir tikai viena sistēmas daļa, un bija nepieciešams izveidot arī ierīces inženieriju tā, lai to būtu iespējams izdrukāt ar 3D printeri – ar šo uzdevumu veiksmīgi tika galā TSI Telekomunikācijas, elektronikas un robotikas centra speciālisti. Tajā pašā laikā TSI Programmatūras un informācijas sistēmu izstrādes laboratorijas ("DevLab – Software and Information System Development Laboratory") speciālisti strādāja pie programmatūras izstrādes jaunajai ierīcei un izveidotā algoritma integrācijas.

"Daudzkārt koriģējām gan algoritmu, gan pašu ierīci. Bija kāpumi, kritumi, dusmu lēkmes, "dauzīšana ar galvu pret sienu", kliedzieni, smiekli un viss pārējais. Mums likās, ka speram vienu soli uz priekšu, un tad simts soļus atpakaļ. Bet galvenais, ka rezultātā viss izdevās un atradām risinājumu, samontējām sistēmu, uzstādījām to uz lāzerskenera, veicām testus, sapratām, ka viss darbojas labāk, nekā bijām cerējuši," stāsta Vladimirs Petrovs.

Petrovs atceras – lai saņemtu projektam nepieciešamo informāciju, komanda sarakstījās ar lieluzņēmumu "Faro", kas piegādā lāzerskenerus arī pasaules līmeņa aviobūves un autobūves kompānijām. Viņš augstu novērtē projekta pasūtītāja atbalstu, sadarbību ar "3D Engineering" jauno un talantīgo inženieru komandu, ieskaitot pašu Reini, kurš aktīvi sadarbojās ar TSI komandu visa projekta garumā, piedalījās interfeisu un lietošanas scenāriju izstrādē, deva atziņas un korekcijas, centās palīdzēt jebkuru problēmu risināšanā.

Reinis no savas puses atzīst – brīžiem viņš nebija pārliecināts, ka viss izdosies: "Uzreiz pēc projekta sākšanas sapratām, ka ir diezgan daudzas nianses, par kurām nebijām aizdomājušies. Sākot no tā, ka vajadzēs meklēt dažādus apvedceļus, lai iegūtu informāciju, kas ir vajadzīga algoritma darbībai, beidzot ar to, ka pats lāzerskeneris rada elektromagnētiskos traucējumus atsevišķu komponentu darbībai. Mums nācās pagarināt projekta termiņus, bet TSI komanda spēja atrast risinājumus un iziet no situācijas. Pat vairākām tādām situācijām, kad likās, ka projekts ir iegājis strupceļā. Rezultātā algoritms ir izstrādāts, un tas ir ļoti advancēts."

Ierīces "3D Speed Up" prototips ir gatavs. Reinis min piemēru, kā inovācija paātrinās 3D datu ieguvi. Ļoti aktuāla šobrīd ir kuģu skenēšana sakarā ar dažām izmaiņām Eiropas Savienības likumdošanā. Kuģiem, kuri ienāk Eiropas ostās, ir jābūt aprīkotiem ar balasta ūdeņu attīrīšanas sistēmām. Jāpagūst noskenēt kuģi, kamēr tas atrodas ostā. "3D Engineering" dibinātājs lēš, ka šādam darbam vajadzīgas vismaz 600 stacijas, katra aizņem piecas minūtes – pusi laika skenēšanai, pusi laika fotografēšanai, bet kopā viss darbs aizņem aptuveni 50 stundas. Savukārt "3D Speed Up" ierīces izmantošana šajā gadījumā atļaus paveikt darbus uz pusi ātrāk – 25 stundās. Citā situācijā laika ietaupījums varētu būt vēl lielāks. Mazās telpās pati lāzerskenēšana aizņem tikai vienu minūti, savukārt, lielas ēkas iekštelpas noskenēt varētu ar 1000 stacijām. Agrāk katra stacija paņemtu trīsarpus minūtes, un kopumā 60 stundas darba visam objektam. Tagad var paspēt vienu staciju veikt vienā minūtē, kas nozīmē, ka visu objektu būs iespējams noskenēt vien 17 stundās.

"3D Engineering" plāno izmantot ierīci ne tikai savām vajadzībām. Galvenais plāns – sākt "3D Speed Up" sērijveida ražošanu un pārdot to visā pasaulē citiem līdzīgiem uzņēmumiem, kas nodarbojas ar 3D datu ieguvi un apstrādi. Reinis atklāj, ka projekta laikā ir radušās jaunas idejas, kā nākotnē vēl uzlabot ierīces funkcionalitāti un vēl vairāk paātrināt datu ieguves un pārraides procesus. Vladimirs piekrīt, ka TSI radīto sistēmu var vēl pilnveidot un, iespējams, uz tās bāzes radīt arī jaunus servisus un produktus. Piemēram, to varētu lietot atsevišķi no lāzerskenera dažādu objektu 3D panorāmas radīšanai. Šādi var radīt virtuālās tūres un citus projektus, kur pietiek ar mazāku datu precizitāti.

Papildus "3D Engineering" Reinim Latvijā pieder vēl divi uzņēmumi, kas saistīti ar 3D jomu. Viens ir oficiālais lāzerskeneru ražotāja "Faro" izplatītājs Baltijā, Azerbaidžānā un Gruzijā. Savukārt otrs dibināts tikai šogad – "My3D.Cloud", kas nodrošina tiešsaistes darbavietu, kur uzņēmumi var strādāt ar 3D datiem. Līdz ar to Reinim ir kompleksa pieeja un ambiciozi plāni: ar TSI ekspertu palīdzību vairāku gadu laikā pilnībā automatizēt 3D modelēšanu.

""3D Speed Up" projektam ir labi rezultāti, tāpēc mēs jau esam iesnieguši LIAA pieteikumu par citām projektu idejām. Viena no tām palīdzēs veikt automātisku datu apstrādi. Mēs ceram, ka TSI turpinās šo iesākto virzienu, un, ka mums kopā izdosies paātrināt ne tikai datu ieguves procesu, bet arī paātrināt datu apstrādes un automātiskās 3D modelēšanas procesu," tā Reinis Točelovskis.