Blog

3D scannen basics: nauwkeurigheid en resolutie

  |   Algemeen

In de vorige blog hebben we geleerd waarom een hoge kwaliteit pointcloud zo belangrijk is in de rest van de workflow. Dit artikel gaat in op wat maataccuratie en resolutie zijn en de betekenis in de praktijk. We gaan dieper in op waarom het een probleem kan zijn om een goede pointcloud te krijgen. Dit heeft te maken met de blinde vlek die mensen hebben voor gebreken in hun kennis.

Wij leren nog dagelijks nieuwe dingen over 3D scannen, terwijl we er al jaren mee bezig zijn en in direct contact staan met vooraanstaande experts binnen het gebied. Als relatieve leek moet je oppassen met vertrouwen waarmee met begrippen wordt gegooid in de 3D meetwereld. Niet alles is wat het lijkt.

Begripsverwarring 3D scanning; maataccuratie vs. scanresolutie

"Hoe nauwkeurig is die scanner?"

Wij vinden het heel belangrijk dat maataccuratie en resolutie altijd onderwerpen van gesprek zijn, voordat er iemand een scanner aanraakt. “Hoe nauwkeurig is die scanner?” wordt ons regelmatig gevraagd. In de praktijk komt het vaak voor dat er gevraagd wordt om nauwkeurigheid, oftewel maataccuratie, maar in werkelijkheid resolutie bedoeld wordt. Er is een wezenlijk verschil tussen deze begrippen dat grote invloed kan hebben op de bruikbaarheid van een pointcloud.

Samga_3Dscanning_5010C

Een nauwkeurige high-end phase scanner, gebruikt voor het inscannen van gebouwen en installaties.

Begrippen vanuit de wetenschap

3D scannen is niet alleen een vak; het is ook een wetenschap. Het combineert diverse elementaire wetenschappelijke gebieden in natuurkunde en wiskunde zoals optica, goniometrie en statistiek. Binnen deze gebieden is het gebruik van de juiste begrippen extreem belangrijk. We merken we dat de vele nieuwe partijen in de markt niet altijd even duidelijk op het netvlies hebben wat deze termen betekenen in de dagelijkse praktijk. Subtiele nuances worden niet opgemerkt of onderschat. Dit kan grote gevolgen hebben voor de bruikbaarheid van het eindproduct.

"De maataccuratie zegt iets over hoever het meetpunt afwijkt van de werkelijke positie. Scanresolutie is de afstand tussen twee punten. Het bepaalt het detailniveau van de scan en de hoeveelheid informatie in de 3D scan."

Definitie accuratie

Accuratie (of nauwkeurigheid) is de mate van overeenstemming van een gemeten afstand met de daadwerkelijke afstand. De nauwkeurigheid zegt iets over de afwijking van een individueel punt binnen een denkbeeldige bol met straal x. Een afwijking van 2mm betekent dus een maximale variatie van 4mm per punt.

Definitie resolutie

Resolutie is het scheidend vermogen van een optisch apparaat; de kleinste hoek tussen twee punten die nog gescheiden waargenomen kunnen worden. In de praktijk is de resolutie de afstand tussen twee punten. Het bepaalt het detailniveau van de scan en de hoeveelheid informatie in de 3D scan.

Nauwkeurigheid 3D scanners

Nauwkeurigheid wordt bepaald door apparatuur, object en omstandigheden

De nauwkeurigheid of maataccuratie waarmee een 3D laserscanner kan meten, wordt theoretisch bepaald door hoek- en afstand nauwkeurigheid van het instrument. Ook het oppervlak wat gemeten wordt oefent met zijn eigenschappen (zoals kleur, structuur en mate van reflectie) invloed uit op de kwaliteit van meting en dataset. Daarbij wordt de maataccuratie ook nog medebepaald door de hoek waaronder het oppervlak wordt gemeten. Als laatste kan een interne compensator de dataset beter en betrouwbaar maken door de metingen tijdens of na de data-acquisitie te corrigeren wanneer er sprake is van bewegingen van de scanner. Er zijn ook nog allerlei andere factoren die niet zo snel ter sprake komen wanneer het gaat over nauwkeurigheid maar wel een rol van betekenis spelen. Denk daarbij bijvoorbeeld aan; een vieze of natte glasplaat (afbuiging laser), neerslag of mist, acclimatiseren toestel, verlopen kalibratie etc.

De hoek- en afstand- nauwkeurigheid bepalen samen de 3D nauwkeurigheid van een specifiek punt. In de praktijk wordt de nauwkeurigheid van een scan echter voornamelijk bepaald door de afstand-nauwkeurigheid en die wordt weer voor een groot deel bepaald door de hoeveelheid ruis of ‘range noise’. De hoeknauwkeurigheid van een scanner speelt dus in de praktijk in mindere mate een rol. Dit klinkt vreemd, maar is eigenlijk vrij logisch te begrijpen wanneer men kijkt naar het doel en gebruik van de scandata. Scandata is namelijk vooral geschikt voor het creëren van vlakken en indirect snijlijnen tussen vlakken. Meer hierover leest je wat verderop in dit artikel.

Spraakverwarring in de praktijk

De leek wordt voor de gek gehouden

In gesprekken tussen meetkundige en leek wordt vaak niet dezelfde taal gesproken. Op de vraag “Hoe nauwkeurig is de scanner?” is het antwoord vaak: “1 millimeter”. De leek bedoeld met nauwkeurigheid vaak de gedetailleerdheid oftewel de resolutie; de afstand tussen twee punten en indirect het aantal meetpunten per oppervlakte. De meetkundige antwoordt met de maatafwijking, op lokaal niveau. Hier is het een en ander mis mee. Als de meetkundige graag wil verkopen, dan noemt hij de in de brochure vermelde afwijking in het ideale geval, bekeken per standplaats. Los van het feit dat het niet eerlijk is om niet realistische getallen te noemen, geeft deze meetkundige wel het juiste antwoord op de vraag, maar niet de informatie die de leek wil ontvangen.

Perfecte omstandigheden vs. praktijkomstandigheden

De maataccuratie van de 3D scan die je waarschijnlijk wilt weten is de praktische maatafwijking. De verkoper heeft de neiging vanuit de ideale situatie te redeneren. Een ideale situatie zou bijvoorbeeld zijn; een witte ruimte met een zuivere lucht (geen stof, rook of damp) waarbij de hoek waaronder de wanden worden gemeten 90 graden is. Daarbij wordt ook vaak gerekend met de prestaties van de scanner vlak na fabricage. Sommige scanners kunnen de specificaties zoals vermeld in de brochure echter na 1 jaar al niet meer waarmaken. Het grote verschil tussen high-end- en low-end apparatuur is dat de verschillen tussen brochure en praktijk minder groot zijn bij high-end apparaten. Sommige high-end scanners presteren zelfs beter dan de beloften in de brochure.

Het gaat ook hier weer om het resultaat onderaan de streep. Dat betekent dat de niet alleen naar de scanner moeten kijken als het om de maataccuratie van de totale pointcloud gaat. In de praktijk kan een scan namelijk vaak wel verbeterd worden door deze uit te voeren in combinatie met andere meetsystemen zoals total station. We zien dat partijen met veel meetkundige ervaring deze technieken combineren.

Maataccuratie 3D scan individueel vs. geregistreerde pointcloud

De afwijking van een individuele meting is niet altijd relevant. Meestal is men geïnteresseerd is de maataccuratie van de totale geregistreerde (samengestelde) pointcloud; het product waar mee gewerkt gaat worden. De commerciële meetkundige verkoopt de best mogelijke maataccuratie en kiest voor het noemen van de kleinst mogelijke maatafwijking: 1 mm, voor een enkele scan, onder de best mogelijke omstandigheden. De gebruiker van de pointcloud is echter alleen geïnteresseerd in de maataccuratie en afwijking van de totale geregistreerde pointcloud van een object in de praktijk. Dit is een belangrijk interpretatieverschil dat grote impact kan hebben op een project.

Clash-detection-pointcloud-713

De grote zwarte cirkels in de afbeelding zijn de plaatsen waar de scanner heeft gestaan. Een complete 3D scan is opgebouwd uit meerdere overlappende scans gemaakt vanuit verschillende meetposities.

3D scan resolutie: wat geeft de beste meting?

Meer meetpunten is niet altijd beter; integendeel zelfs

De beste meting is vooral afhankelijk van het type lasersysteem. Een hogere resolutie zorgt voor een hoger detailniveau van de scan en een grotere hoeveelheid informatie in de scan. Een hogere resolutie is daarmee niet altijd beter. Niet alleen is een zwaardere pointcloud moeilijker te bewerken; een hoge resolutie kan ten koste gaan van de betrouwbaarheid van het individuele meetpunt. Eén kwalitatief hoogwaardig meetpunt op dezelfde plaats is waardevoller dan 10 meetpunten van iets mindere kwaliteit. High-end scanners leveren met dezelfde meting betere data. Een hogere resolutie betekent verder een langere scantijd, wat de kosten aanzienlijk verhoogt.

"Het klinkt onlogisch, maar een hogere resolutie geeft over het algemeen slechtere data. De eenvoudige verklaring hiervoor is dat meer meetpunten opgeteld ook meer ruis geven. Een high-end scanner zit vol met technologie om betere meetpunten te creëren en de hoeveelheid ruis te beperken. Dit levert kwalitatief hoogwaardige data op."

Welke scanresolutie wordt er bedoeld?

Wanneer er over scanresolutie gesproken wordt, gaat het dan om de resolutie van 1 scan of van de hele pointcloud? Het kan zijn dan de meetkundige de resolutie per scan opgeeft. De gebruiker ontvangt echter een totale geregistreerde pointcloud, met meerdere scanposities bij elkaar. Een samengevoegde geregistreerde pointcloud levert onder aan de streep een andere resolutie dan de door de meetkundige genoemde resolutie, uit het boekje, van één scanstation. Meerdere overlappende scans op een oppervlak leveren een hoger aantal meetpunten op. Indien gewenst kan goede software het aantal punten reduceren, zodat alle punten op dezelfde afstand staan. Dit geeft een egaler verdeelde resolutie.
Pas op: wanneer je dit niet vooraf afspreekt, betekent deze vraag na oplevering van de pointcloud meerwerk.

Wat als de accuratie niet is wat het lijkt?

Pointcloud heeft aura van perfecte geometrie

Pointclouds zien er altijd goed en geloofwaardig uit. Voor de leek valt een fout in de scan niet direct op. Later in het traject zal echter blijken dat de data niet de gedachte accuratie heeft. Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer meetpunten worden uitgezet met een total station op basis van de pointclouddata, of wanneer een bepaalde analyse niet blijkt te kloppen. De pointcloud heeft een aura van perfecte geometrie, maar verschillen die hier optreden kunnen erg groot zijn. Het is daarom belangrijk te begrijpen wat de maataccuratie is, wat deze betekent en hoe je er mee om moet gaan.

Factoren nauwkeurigheid 3D scan

Nauwkeurig 3D scannen draait om de juiste balans vinden. Meten zonder afwijking is niet mogelijk. Wat wel kan is alle factoren die de afwijking beïnvloeden onder controle houden. De maataccuratie onderaan de streep wordt bepaald door:

  • de kwaliteit van de scanner
  • de laserklasse
  • de ruisonderdrukking
  • de afstand tot de te meten onderdelen
  • de kleur van gemeten materiaal
  • de reflectie eigenschappen van het materiaal
  • de structuur van het materiaal
  • de hoek van aanmeting
  • de luchtkwaliteit (vocht en stof)
  • de registratiesoftware
  • het scanplan
  • de scanmethode
  • en natuurlijk de kennis en kunde van de scanoperator

Bovengenoemde factoren leveren in te praktijk bij elkaar opgeteld nooit een maataccuratie van 1 millimeter op. Dat is bijna nooit erg. Het is wel belangrijk te weten wat de afwijking is en of dat voldoende nauwkeurig is voor de gevraagde toepassing.

"Bedenk je goed: lage kwaliteit meetdata is achteraf niet meer te veranderen in een hogere kwaliteit. Dan moet alles dus opnieuw worden gescand. Kies voor goede apparatuur en mensen die verstand van zaken hebben."

De invloed van ruis op meetdata

Wanneer nauwkeurigheid belangrijk is moet men vooral naar de ontwikkeling van de hoeveelheid ruis in relatie tot de meetafstand kijken. Veel ruis en verstoring resulteert namelijk in onbruikbare data. Automatiseringen werken niet goed op een wollige pointcloud zoals deze bijvoorbeeld wordt gemaakt door een aantal huis-tuin en keuken-scanners en mobiele systemen zoals systemen die in de hand gehouden worden tijdens het scannen. Een goede grip op datavergelijking krijgt men echter alleen maar door zelf te testen en te datasets te vergelijken met tussenkomst van programma’s die niet zozeer pointcloud vergelijken maar een vergelijking maken tussen automatisch gemaakte faces-models van pointclouds.

Scanners meten vlakken

Scanners worden gebruikt om grip te krijgen op vlakken en niet om specifieke punten zeer nauwkeurig in te meten. Het construeren van een vlak kan het beste door een automatisering los te laten op veel meetpunten met goede afstand-nauwkeurigheid waardoor gemiddelde waarden veel beter bepaald kunnen worden. Wil je een specifiek punt nauwkeurig gemeten hebben? Dan is de inzet van een total station een veel betere oplossing. Met een total station kan hetzelfde punt namelijk meerdere keren ‘handmatig’ gemeten worden door op hetzelfde punt te focussen.

Een scanner meet op een andere manier en stuurt veel data (1 miljoen metingen per seconde) relatief willekeurig af op een oppervlak. Hierdoor zal het nagenoeg nooit voorkomen dat hetzelfde punt meerdere keren gemeten wordt. De nauwkeurigheid van één specifiek meetpunt is ook niet belangrijk. Het gaat om een perfect gemiddelde en de juiste bepaling van een vlak. Het is echter wel mogelijk om de scanner iets te laten doen wat een beetje lijkt op het aspect van ‘dubbel meten’. De kwaliteit van de meting is bij sommige scanners tijdens de data-inwinning te regelen. Er wordt dan als het ware een perfect meetpunt geconstrueerd door gebruik te maken meetpunten uit de directe omgeving (buur-meetpunten) wat resulteert in een beter gemiddelde. Dit resulteert echter wel altijd in een verlenging van de scantijd. Het is dus belangrijk om een goede afweging te maken alvorens te scannen met een hogere kwaliteitsinstelling.

“Een total station meet nauwkeuriger dan een 3D scanner”

Ja en nee. Dit is een veel gemaakte fout. De individuele meetpunten van een total station zijn technisch gezien nauwkeuriger, maar de extreem hoge resolutie van een 3D scanner maakt een betere (nauwkeurigere) interpretatie van de gemeten situatie mogelijk.

De individuele meetpunten van een total station worden gekozen door de maatvoerder die de total station bedient. Hij kijkt en kiest met zijn eigen ogen. Alles hangt dus af van zijn keuze en dat specifieke punt. Technisch gezien is de afstand en hoek van dit meetpunt extreem nauwkeurig. Het resultaat van meerdere iets minder nauwkeurige meetpunten uit de 3D scanner kan echter waardevoller zijn dan dat ene specifieke punt van de total station. Bijvoorbeeld: een grillige metselwerk kolom kan beter gemodelleerd worden op basis van een relatief minder accurate pointcloud dan vanuit enkele zeer nauwkeurige meetpunten die misschien wel per ongeluk op een scheve steen, of in een voeg, gekozen zijn.

Wat een total station wel kan is helpen de 3D scan nauwkeuriger te maken, door beide metingen te combineren. De enorme hoeveelheid data van de pointcloud wordt dan als het ware opgehangen aan enkele extreem nauwkeurige meetpunten van de total station-meting. Dit is extra werk, maar verhoogt de betrouwbaarheid van de 3D scan in gevallen dat het echt nodig is.

"Uiteraard maakt een total station zeer nauwkeurig individuele meetpunten. Een dubbele metingen (kijker doorslaan) met een nauwkeurige total station kan op grote afstand nog steeds een nauwkeurigheid opleveren van 0,5 mm. Op zichzelf is het echter een meting met een ander doel dan een 3D scan."

Conclusie

De begrippen maataccuratie en scanresolutie worden in de praktijk te vaak door elkaar gehaald. Beide zijn belangrijk, maar een scanresolutie van 1 mm is iets wezenlijk anders dan een maataccuratie van 1 mm. Verder missen beide antwoorden een belangrijke dimensie: op welke afstand en in welke context. Er is ook een verschil tussen de best mogelijke prestatie van 1 meting en de totale afwijking van meerdere geregistreerde pointclouds, waarin afwijking op afwijking voor komt. "1 millimeter" klinkt in alle gevallen als voldoende. Het probleem is echter dat het een vals gevoel van zekerheid geeft. Degene die het antwoord geeft doet dit meestal uit onwetendheid, of om dat het lekker verkoopt. Voor een waardevol meetproduct is het echter van belang dat zulke antwoorden accuraat en relevant zijn.

'Meer is beter' is wat veel mensen denken. Meer meetpunten kunen tot een zeker niveau meer inzicht geven, maar het kan ook negatieve gevolgen hebben. Er is namelijk een balans tussen kwantiteit en kwaliteit. Een hogere scanresolutie (dus meer meetpunten) betekent dat de accuratie omlaag gaat, en de scantijd omhoog gaat. Dit kan de waarde van de pointcloud verlagen en maakt projecten misschien onnodig duur.

Een total station meet nog nauwkeuriger dan een 3D scanner, maar de hoge resolutie van de 3D scanner maakt een pointcloud over het algemeen waardevoller omdat interpretatie beter verloopt en vlakken beter gecontrueerd kunnen worden. In situaties dat extreme nauwkeurigheid en volledigheid nodig is, kunnen beide metingen gecombineerd worden, om het beste van beide werelden te krijgen.

Om vooraf meer zekerheid te hebben over de kennis en kunde van de meetpartij is het slim naar specificaties, kalibraties en het te leveren bewijsmateriaal te vragen. Dit geeft houvast over de kwaliteit van de apparatuur en de professionaliteit van het scanbedrijf.

Meer leren? Volg deze blogserie

In de volgende blog gaan we in op scanner kopen en zelf starten met 3D scanning. De komende weken publiceren we elke maandag, woensdag en vrijdag een nieuwe blog in de de serie '3D scannen: de basics'.

Onderwerpen in de blogserie 3D scannen: de basics

Automatische de volgende blogs ontvangen?

Schrijf je in voor onze nieuwsbrief! Zo blijf je op de hoogte van deze blog en alle toekomstige blogs.

  • Vergeet niet http:// voor de url te plaatsen (bv. http://mijnwebsite.nl).