■ ภาพรวม：

LiDAR คือเทคโนโลยีการทำแผนที่ที่ใช้แสงเลเซอร์ในการวัดระยะทางไปยังพื้นผิวเป้าหมาย สรุป การสร้างแผนที่ 3D ที่แม่นยำอย่างน่าทึ่งของทุกสิ่งตั้งแต่ห้องไปจนถึงภูมิประเทศที่กว้างใหญ่ มาดูความสามารถของโซลูชัน LiDAR ประเภทของ LiDAR และวิธีการใช้เทคโนโลยีนี้

การแนะนำ

ก่อนที่เราจะพูดถึงวิธีการทำงานของการสแกน LiDAR คุณรู้หรือไม่ว่าชื่อ LiDAR มาจากไหน? เช่นเดียวกับที่เรดาร์คือ 「Radio Detection and Ranging」และโซนาร์คือ「Sound Detection and Ranging」LiDAR ก็เป็นตัวย่อเช่นกัน

「Light Detection and Ranging」หรือ「Laser Imaging, Detection, and Ranging」จะเป็น LiDAR

มีสิ่งต่าง ๆ มากมายที่คุณสามารถถ่ายภาพได้ ตั้งแต่ระดับความสูง, ความกดอากาศ และพืชพรรณไปจนถึงเมืองทั้งเมือง LiDAR ช่วยให้คุณเห็นสิ่งเหล่านี้เป็นแผนที่ 3D บนหน้าจอคอมพิวเตอร์ของคุณ ช่วยให้คุณซูมเข้าที่ส่วนเล็ก ๆ ของฉากหรือเลื่อนดูได้

ตัวอย่างเช่น แผนที่ 3D ของนิวยอร์กที่สร้างขึ้นจากข้อมูลเชิงพื้นที่ของ LiDAR การถ่ายภาพสีเต็มรูปแบบ และภาพถ่ายจากดาวเทียม แผนที่นี้ เช่นเดียวกับแผนที่เมืองอื่น ๆ ที่คุณเห็นตลอดเวลา สามารถเข้าถึงได้ง่ายด้วย Google Maps แสดงตึกระฟ้า, จัตุรัส, อนุสาวรีย์ และจุดสังเกตอื่น ๆ จากทุกทิศทาง (ยกเว้นด้านล่าง) คุณสามารถดูรายละเอียดที่น่าทึ่งได้ แน่นอน คุณสามารถกลับไปใช้มุมมอง 2D ปกติได้ แต่ทำไมคุณต้องทำอย่างนั้นในเมื่อคุณมีมุมมองมุมสูงของเมืองใหญ่ที่แผนที่และภาพถ่าย 2D ไม่สามารถทำได้

เหตุใด LiDAR จึงมีความสำคัญในทางปฏิบัติ ไม่ใช่แค่การสร้างภาพที่น่าสนใจเท่านั้น

เทคโนโลยี LiDAR นำเสนอศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในด้านต่าง ๆ เช่น วิศวกรรม, การก่อสร้าง และการวางผังเมือง ซึ่งความรู้ที่แม่นยำเกี่ยวกับรูปร่างและขนาดของพื้นที่ขนาดใหญ่จะช่วยในการตัดสินใจ ตัวอย่างเช่น เมื่อสร้างถนนในพื้นที่ภูเขา จำเป็นต้องเข้าใจการกระจายวัสดุก่อสร้างและระยะเวลาก่อสร้างอย่างแม่นยำ นอกจากนี้ เมื่อกำหนดความยาวของถนน จำเป็นต้องพิจารณาไม่เพียงแต่ระยะทางเชื่อมต่อจุด A และจุด B ที่สั้นที่สุดเท่านั้น แต่ยังต้องคำนึงถึงความแตกต่างของความสูงระหว่างทางด้วย จะพาเข้าป่าพร้อมสายวัดและเข็มทิศ? ในกรณีดังกล่าว สามารถใช้ LiDAR ในอากาศเพื่อการตรวจวัดที่รวดเร็วและแม่นยำ

【จุดสำคัญ】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

เทคโนโลยี LiDAR กำลังเปิดโอกาสในด้านต่าง ๆ เช่น วิศวกรรม, การก่อสร้าง และการวางผังเมือง ซึ่งจะทำการตัดสินใจด้วยข้อมูลที่ถูกต้องเกี่ยวกับรูปร่างและขนาดของพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และใหญ่มาก

LiDAR ทำงานอย่างไร？

เซ็นเซอร์ LiDAR จะสแกนสภาพแวดล้อมโดยรอบด้วยการปล่อยแสงเลเซอร์ เมื่อแสงตกกระทบพื้นผิวที่ใกล้ที่สุด แสงจะสะท้อนกลับไปที่อุปกรณ์ LiDAR ซึ่งจะรับสัญญาณที่ได้รับ LiDAR ขึ้นอยู่กับเทคนิคที่ใช้ บันทึกเวลาที่ลำแสงไหลย้อนกลับ หรือวิเคราะห์การเปลี่ยนเฟสของสัญญาณที่ได้รับเพื่อคำนวณระยะทางไปยังพื้นผิวที่ใกล้ที่สุด

【จุดสำคัญ】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

LiDAR สามารถคำนวณระยะทางไปยังพื้นผิวดินที่ใกล้ที่สุดโดยการบันทึกเวลาจนกว่าลำแสงจะย้อนกลับและวิเคราะห์ความแตกต่างของเฟสของสัญญาณที่ได้รับ

เซ็นเซอร์ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสองส่วน: ตัวส่งและตัวรับ เครื่องส่งสัญญาณจะยิงแสงเลเซอร์หลายแสนพัลส์ไปยังทิศทางของพื้นผิวที่กำลังสแกน เมื่อพัลส์มาถึงพื้นผิว มันจะเด้งออก (กระจายกลับ) และเครื่องรับจะรับสัญญาณ อิเล็กทรอนิกส์จับเวลาจะคำนวณเวลาที่พัลส์เดินทางจากเซ็นเซอร์ไปยังพื้นผิวเป้าหมายและย้อนกลับ

เทคนิคนี้เรียกว่าการสแกนด้วยเลเซอร์ตามเวลาของการบิน โปรดทราบว่าระบบ LiDAR แบบเคลื่อนที่หรือในอากาศยังมี IMU (หน่วยการวัดความเฉื่อยซึ่งประกอบด้วยมาตรความเร่ง, ไจโรสโคป และเซ็นเซอร์อื่น ๆ) และตัวติดตาม GPS เพื่อกำหนดพิกัด XYZ ของตัวรับส่งสัญญาณในแต่ละจุดของเวลาที่ส่งพัลส์เลเซอร์ รับ ข้อมูลทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการวิเคราะห์โดยคอมพิวเตอร์ และแผนที่ 3D ของพื้นผิวดินจะถูกส่งออกเป็นข้อมูลพอยต์คลาวด์

นอกจากเวลาบินแล้ว ยังมีเทคนิคการเปลี่ยนเฟสอีกด้วย การสแกนคอนทราสต์เฟสใช้พลังงานเลเซอร์คงที่ที่ปล่อยออกมาจากสแกนเนอร์ เครื่องสแกนจะวัดการเปลี่ยนเฟสของพลังงานเลเซอร์ที่ส่งกลับและคำนวณระยะทาง

ข้อกำหนดที่สำคัญ

เวลาบิน：ระยะทางระหว่างจุดสองจุดคำนวณโดยใช้เวลาสำหรับพัลส์ในการเดินทางระหว่างจุดสองจุด

การเปลี่ยนเฟส： การคำนวณความล่าช้าที่มีอยู่ระหว่าง 2 รูปคลื่นที่ปล่อยออกมาในความถี่หรือเวลาเดียวกัน

ข้อเสียเปรียบหลักประการหนึ่งระหว่างเครื่องสแกน Time-of-flight และ Phase-Contrast คือระหว่างความเร็วในการได้มาและช่วงไดนามิก เครื่องสแกนเวลาบินมักจะได้รับข้อมูลในอัตราหลายร้อยถึงพันจุดต่อวินาที ในทางกลับกัน วิธีความแตกต่างของเฟสจะได้รับข้อมูลหลายแสนจุดต่อวินาที ดังนั้น ในหลาย ๆ แอปพลิเคชัน วิธีเฟสคอนทราสต์จึงสามารถรับข้อมูลได้เร็วกว่า

ในทางกลับกัน เวลาบินมีช่วงไดนามิกกว้างมาก และสามารถรับข้อมูลที่เป็นประโยชน์จากระยะทางสั้น ๆ 1 เมตรถึง 1 กิโลเมตร หากช่วงการวัดยาว ประเภท Time-of-Flight จะได้เปรียบ

เครื่องสแกน LiDAR มีความแม่นยำเพียงใด

ขึ้นอยู่กับประเภทของสแกนเนอร์และสภาพแวดล้อม, ความแม่นยำของระบบ LiDAR สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่มิลลิเมตรย่อยไปจนถึงหลายสิบและหลายร้อยมิลลิเมตร ความแม่นยำของข้อมูล 3D ที่รวบรวมโดยเครื่องสแกน LiDAR ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย

เช่นเดียวกับสแกนเนอร์อื่น ๆ LiDAR เป็นอุปกรณ์ที่สอบเทียบมาจากโรงงาน ก่อนส่งมอบให้กับลูกค้า เครื่องสแกนได้รับการ “ฝึกฝน” ให้วัดระยะได้ถึงหลายร้อยเป้าหมายด้วยค่าการสะท้อนแสงที่ทราบและระยะที่ทราบจากอุปกรณ์ ด้วยเหตุนี้ ฟังก์ชันข้อผิดพลาดจึงถูกสร้างขึ้นและจัดเก็บไว้ในซอฟต์แวร์ของสแกนเนอร์ อย่างไรก็ตาม การปรับเทียบจากโรงงานไม่สามารถครอบคลุมพื้นผิวทุกประเภทที่เครื่องสแกนอาจต้องสแกนในสภาพแวดล้อมโครงการเฉพาะ และระยะทางถึงพื้นผิวจะเป็นตัวกำหนดค่าการสะท้อนแสง นอกจากนี้ยังอาจคำนวณตามค่าของพื้นผิวที่คล้ายกันที่คุณมี

เสียงนี้ถูกกำหนดให้เป็นความแตกต่างระหว่างการวัดแต่ละรายการและระยะทางเฉลี่ยถึงวัตถุ ช่วงสัญญาณรบกวนจะได้รับผลกระทบจากระยะทางไปยังวัตถุที่สแกนและคุณสมบัติการสะท้อนแสงของพื้นผิวเป็นหลัก

ชิ้นส่วนเชิงกลของเครื่องสแกน LiDAR อาจมีข้อผิดพลาดได้เช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเวลาผ่านไป ผู้ผลิตจึงแนะนำให้ทำการปรับเทียบเครื่องสแกนใหม่ทุก ๆ 2-3 ปี

ประการสุดท้าย สภาวะแวดล้อม เช่น ความเร็วลม, การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์, อุณหภูมิ และความชื้นสามารถบิดเบือนการกระเจิงกลับของพัลส์เลเซอร์และส่งผลต่อคุณภาพของข้อมูลที่รวบรวมได้

ผู้ผลิตมีความคุ้นเคยอย่างใกล้ชิดกับปัจจัยต่าง ๆ ที่ส่งผลต่อความแม่นยำของเครื่องสแกน LiDAR และมั่นใจว่าอุปกรณ์เหล่านี้มีระดับความแม่นยำที่ไม่มีใครเทียบได้ หน้านี้แนะนำ Artec Ray เครื่องสแกน LiDAR ที่มีความแม่นยำเชิงมุมที่ดีที่สุดในระดับเดียวกัน

ประเภทของ LiDAR

ดังที่อธิบายไปแล้ว LiDAR มีอยู่สองประเภท: แบบเคลื่อนที่ได้และแบบลอยในอากาศ เมื่อเพิ่มการสังเกตแบบจุดตายตัวให้กับทั้งสองสิ่งนี้ มันสามารถแบ่งออกเป็นสามอย่างคร่าว ๆ

เครื่องสแกน LiDAR แบบอยู่กับที่

เนื่องจาก LiDAR อื่น ๆ ทั้งหมดเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับมาจาก LiDAR นี้ เรามาเริ่มกันที่เครื่องสแกน LiDAR แบบอยู่กับที่ เครื่องสแกน LiDAR แบบอยู่กับที่มักครอบคลุมพื้นที่ขนาดเล็กกว่าระบบเคลื่อนที่หรือในอากาศ แต่ก็มีความแม่นยำสูงสุด

เครื่องสแกน LiDAR แบบคงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการทำวิศวกรรมย้อนกลับและการตรวจสอบคุณภาพ ด้วย LiDAR คุณสามารถสแกนห้อง, อาคาร และยานพาหนะทุกชนิดบนบก, อากาศ, น้ำ และพื้นที่

ตัวอย่างเช่น ลองนึกภาพการปรับปรุงระบบประปาที่ครอบคลุมพื้นที่หลายสิบตารางเมตร, การวางแผนปรับปรุงอาคาร หรือวิศวกรรมย้อนกลับลำตัวเครื่องบิน ในกรณีเช่นนี้ จำเป็นต้องมีขนาดที่แม่นยำของพื้นที่ผิวที่เกี่ยวข้อง และเครื่องสแกน LiDAR แบบอยู่กับที่จะมีประโยชน์ในกรณีดังกล่าว สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น เมื่อพื้นผิวบางส่วนหรือทั้งหมดอยู่สูงจากพื้น และไม่สามารถเข้าถึงได้ด้วยเครื่องสแกนแบบมือถือโดยไม่มีนั่งร้านแบบกำหนดเอง

การสแกน 3D ของเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์สันดาปภายในด้วยเครื่องสแกน 3D แบบแสงที่มีโครงสร้าง Artec Eva

ตอนนี้ลองย้อนกลับไปคิดดูว่าจะรับผลลัพธ์เช่นภาพหน้าจอด้านบนได้อย่างไร กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณจะสแกนด้วยเครื่องสแกน LiDAR ได้อย่างไร จริง ๆ แล้วคุณไม่ต้องการอะไรมาก เครื่องสแกนติดตั้งอยู่บนขาตั้งและวางไว้ด้านหน้าวัตถุหรือฉากที่จะสแกน Artec Ray จะเริ่มสร้างภาพตัวอย่างของพื้นที่สแกนด้วยการคลิกเพียงครั้งเดียว จากการแสดงตัวอย่างนี้ หากพิจารณาแล้วว่าไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนตำแหน่งเครื่องสแกน Ray จะจับภาพวัตถุและข้อมูลฉากทั้งหมดอย่างสมบูรณ์

นอกจากนี้ หากคุณต้องการเพิ่มความแม่นยำของข้อมูลการสแกน 3D หรือถ้าคุณต้องการให้แน่ใจว่ามีการจัดตำแหน่งในขั้นตอนการประมวลผล คุณก็สามารถตั้งค่าเป้าหมายได้เช่นกัน สแกนเนอร์สามารถตรวจจับเป้าหมายได้อย่างง่ายดายในทุกสภาพแวดล้อม และเมื่อการสแกนเสร็จสิ้นและรวบรวมข้อมูลทั้งหมดแล้ว ซอฟต์แวร์ของสแกนเนอร์จะใช้เป้าหมายเพื่อทำการสแกนทั้งหมดอย่างรวดเร็ว จัดเรียงอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

ตัวอย่างของวัตถุและเป้าหมายที่วางอยู่รอบตัว

เครื่องสแกนประเภท LiDAR บางชนิด เช่น Artec Ray ไม่จำเป็นต้องมีเป้าหมายในการลงทะเบียนการสแกนและการจัดตำแหน่ง ในขณะที่ให้ระดับความแม่นยำสูงมาก Ray เป็นหนึ่งในเครื่องมือวัดที่ทันสมัยที่สุดในตลาดปัจจุบัน Ray สามารถสแกนวัตถุได้หลากหลายตั้งแต่ตัวถังรถไปจนถึงเครื่องบินขนาดใหญ่และอาคาร โดยปฏิบัติการที่ระยะสูงสุด 110 ม. จากเป้าหมาย โปรเจ็กต์ขนาดใหญ่เช่นโปรเจ็กต์หลังสามารถสร้างสัญญาณรบกวนได้มาก, จัดแนวการสแกนผิดตำแหน่ง และนำสแกนเนอร์ไปที่จุดเดิมในวันอื่นเพื่อจับภาพสิ่งที่สแกนครั้งแรกไม่ได้อีกครั้ง คุณคงไม่ต้องการสแกนอย่างแน่นอน

ไม่ต้องกังวลกับ Artec Ray สแกนเนอร์มีความแม่นยำในระดับต่ำกว่ามิลลิเมตรเมื่อสแกนจากวัตถุในระยะ 10-15 เมตร และความแม่นยำเชิงมุมที่ดีที่สุดในระดับเดียวกันทำให้มั่นใจได้ถึงผลลัพธ์ที่แม่นยำที่สุดในพื้นที่ขนาดใหญ่ คุณยังสามารถดูการแสดงตัวอย่างของวัตถุที่จะสแกนเพื่อดูว่าตำแหน่งสแกนเนอร์ปัจจุบันเหมาะสมที่สุดสำหรับการจับภาพวัตถุนั้นหรือไม่ หรือคุณควรพิจารณาเปลี่ยนตำแหน่งอุปกรณ์ใหม่

ขั้นตอนการทำงานประจำวันของ Artec Ray: การรวบรวมข้อมูล 3D ในห้องซ่อมบำรุง สามารถสตรีมข้อมูลแบบไร้สายไปยัง iPad หรือ iPhone รวมถึงแล็ปท็อปที่เชื่อมต่อกับสแกนเนอร์

เนื่องจากข้อมูล Ray สแกนมีความแม่นยำสูง, การทำวิศวกรรมย้อนกลับตามแบบจำลอง 3D ของผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม, การควบคุมคุณภาพการเปรียบเทียบแบบจำลอง 3D ของชิ้นส่วนเครื่องจักรกลขนาดใหญ่ด้วย CAD การแปลงรูปปั้นเป็นดิจิทัล 3D เพื่อการอนุรักษ์มรดก จึงมีการใช้งานที่หลากหลาย เช่น สร้างแกลเลอรี่ออนไลน์สำหรับพิพิธภัณฑ์

การทำแผนที่ด้วย Airborne LiDAR Scanner

การเคลื่อนที่ในอากาศด้วยเซ็นเซอร์ LiDAR จะขยายช่วงการใช้งานให้กว้างขึ้น วิศวกรทำเช่นนี้เมื่อสร้างถนนใหม่, เดินท่อข้ามสันเขา หรือออกแบบสนามกอล์ฟใหม่ เครื่องสแกน LiDAR ที่ติดตั้งบนเครื่องบินและเฮลิคอปเตอร์สามารถรวบรวมข้อมูล 3D ได้หลายร้อยตารางกิโลเมตร อย่างไรก็ตาม ในขณะที่ครอบคลุมพื้นที่กว้างใหญ่ ระบบ LiDAR ในอากาศไม่สามารถให้ความแม่นยำในระดับต่ำกว่ามิลลิเมตรได้ ในกรณีนี้ ความคลาดเคลื่อนอาจถึงไม่กี่เซนติเมตร ซึ่งเพียงพอสำหรับโครงการขนาดใหญ่ส่วนใหญ่

แอปพลิเคชัน LiDAR บนมือถือ

ด้วยอัตราส่วนทองคำระหว่างความแม่นยำและขนาดพื้นที่สแกน เซ็นเซอร์ LiDAR แบบเคลื่อนที่ได้เปิดโอกาสที่น่าตื่นเต้นมากขึ้น ไม่ใช่แค่สำหรับวิศวกรเท่านั้น ระบบ LiDAR ในรถยนต์ไร้คนขับและขับเคลื่อนด้วยตัวเองจะสแกนสภาพแวดล้อมอย่างต่อเนื่องและคำนวณแบบเรียลไทม์ถึงระยะทางจากยานพาหนะที่ใกล้ที่สุด คนเดินถนน และสิ่งกีดขวางเพื่อหลีกเลี่ยงการชน

การขับขี่อย่างปลอดภัยเกิดขึ้นได้จากการใช้การรับรู้จากระยะไกล

เครื่องสแกน LiDAR ใน iPad Pro และ iPhone Pro

การใช้งานเซ็นเซอร์ LiDAR ในระดับผู้บริโภคไม่ได้จำกัดเฉพาะยานยนต์ไร้คนขับเท่านั้น ผู้ใช้ iPad Pro และ iPhone Pro ของ Apple (เวอร์ชัน 12 และใหม่กว่า) ได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยี LiDAR สแกนวัตถุที่อยู่ห่างออกไปไม่เกิน 5 เมตร แกดเจ็ตเหล่านี้ทำงานร่วมกับแอปพลิเคชันอย่าง IKEA Place และ Hot Lava เพื่อตกแต่งห้องของผู้ใช้ใน AR หรือเปลี่ยนพื้นที่โดยรอบให้เป็นความท้าทายในการเล่นเกมได้

ในขณะที่ LIDAR ของ Apple ขาดความแม่นยำและความละเอียดที่จำเป็นสำหรับการผลิต การซื้อของและเล่นเกม AR นั้นถูกมองว่าเป็นแอปพลิเคชั่นที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับโซลูชันนี้ การเปิดตัว LiDAR บนไอแพดและไอโฟนได้กระตุ้นการพัฒนาแอปพลิเคชันเป้าหมาย และเพิ่มจำนวนผู้ใช้เทคโนโลยีการสแกน 3D อย่างมาก สิ่งที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นขอบเขตของนักมาตรวิทยาและนักสำรวจ บัดนี้ถูกนำไปใช้โดยผู้ใช้ทั่วไปของแกดเจ็ต Apple

สรุป

แล้วมันเป็นอย่างไร? เมื่อพูดถึง LiDAR มีหลายสิ่งที่คุณสามารถทำได้และมีประโยชน์หลายอย่างที่คุณมองหา เทคโนโลยีนี้ช่วยสร้างเมืองรอบตัวเรา ภาพที่มีรายละเอียดที่เราเห็น ถนนที่เราขับไป ไม่ว่าจะเป็นแบบดิจิทัลหรือแบบจับต้องได้ ทำไมไม่ลองนึกถึงเทคโนโลยีนี้ในครั้งต่อไปที่คุณเดินเล่นในเมือง

ทำความรู้จักกับเทคโนโลยี LiDAR และใช้ประโยชน์จาก Artec Ray