1

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Mémoire de Soutenance du Diplôme d'Ingénieur INSA Spécialité TOPOGRAPHIE

ANNEXES

Présenté le 19 Septembre 2013 par Philippe FABRE Réalisé au sein du Cabinet de Géomètres Experts : SARL GE-A

17, rue des Briquetiers 31700 BLAGNAC

Directeur de PFE : Correcteurs :

Monsieur Denis LACHAUD Madame Tania LANDES

Directeur de GEA Monsieur Pierre GRUSSENMEYER

2

3

A – Fiche technique du laser scanner HDS 7000

Ultra-high speed laser scanner for demanding professionals

Highest overall performance for phase-based scanners

Phase-based scanning is known for ultra-high scan speeds that

can fit detailed scene capture into short time windows and increase

overall field productivity. The HDS7000 scanner adds key “next level”

performance features – important for demanding professionals –

to its > 1 million points/second ultra-high speed scanning.

Better quality data over longer ranges

Regardless of scan speed, demanding professionals don’t com-

promise on accuracy. Advances in the HDS7000 laser technology

now enable users to achieve high quality data at longer range.

The HDS7000’s maximum range of 187 m is best-in-class for

phase-based scanners.

Ultra-high speed scanning in more environments

Demanding professionals need their tools to work in demanding

environments. The HDS7000 delivers an unmatched 55 °C operating

temperature range (-10 °C to +45 °C). Same for operating in dusty or

wet locations: HDS7000’s IP53 rating and a “encapsulated mirror”

design provides further reassurance. HDS7000 even lets you scan

on sites where only instruments with a Class 1 laser safety rating

are allowed – better than any other phase-based scanner.

All-in-one design includes more control & registration options

Users have three scanner control options. A side panel allows

touch control and optional wireless control allows “touch-free”

operation. For full 3D viewing, scan measurement, and rigorous

quality assurance (QA), demanding users can opt for powerful

laptop control with Leica Cyclone SCAN, the industry’s most

popular control software.

HDS7000 Laser Scanner Ultra-High Speed with Extended Range> 1 million

points / sec

> 180 m range

Leica Geosystems AG Heerbrugg, Switzerland

www.leica-geosystems.com

HDS7000Product Specifications

General

Instrument type Compact, phase-based, dual-axis compensated, ultra-high speed laser scanner, with survey-grade accuracy, range, field-of-view and laser plummet

User interface Onboard control, notebook or tablet PC, PDA

Scanner drive Servo motor

Data storage Integrated flash drive or external USB flash drive

Camera No integrated camera; supports use of external camera

Laser Scanning System

Type Phase-shift

Wavelength 1.5 μm (Invisible)

Laser Class 1 (in accordance with IEC 60825-1 resp. EN 60825-1)

Range 187 m ambiguity interval 0.3 m minimum range 0.1 mm resolution

Linearity error1 ≤ 1 mm

Spot size ~ 3.5 mm @ 0.1 m distance (Gaussian-based)

Beam divergence < 0.3 mrad

Scan rate Up to 1,016,727 points / sec, maximum instantaneous rate

Range noise Range Black 14% Gray 37% White 80% 10 m12 0.5 mm rms 0.4 mm rms 0.3 mm rms 25 m12 1.0 mm rms 0.6 mm rms 0.5 mm rms 50 m12 2.7 mm rms 1.2 mm rms 0.8 mm rms 100 m123 10 mm rms 3.8 mm rms 2.0 mm rms

Scan resolution Selectability preview4

lowmiddlehighsuper highultra high5 extremely high5

7 pre-set spacings per table Pts / 360° Low Normal High Premium (vert. / horiz.) quality6 quality6 quality6 quality6

1250 0:13 min 0:26 min 0:52 min 1:44 min 2500 0:26 min 0:52 min 1:44 min 3:24 min 5000 0:52 min 1:44 min 3:22 min 6:44 min 10000 1:44 min 3:22 min 6:44 min 13:28 min 20000 3:28 min 6:44 min 13:28 min 26:56 min 40000 --- 13:28 min 26:56 min 53:20 min 100000 --- 1:21 h 2:42 h 3:24 h

Field-of-View max. 360° x 320° (horizontal / vertical)

Scanning Optics Vertically rotating mirror on horizontally rotating base; User selectable vertical rotation speed (6.25 rps, 12.5 rps, 25 rps or 50 rps); Environmentally protected by shield

Scan motors Direct drive, brushless

Angular accur. 125 μrad / 125 μrad (horizontal / vertical)

Angular resol. 7 μrad / 7 μrad (horizontal / vertical)

Miscellaneous

Onboard display Touchscreen control with stylus, full color graphic display, VGA (640 x 320 pixels)

Dual-axis compensator

Selectable on/off, resolution 3.6”, measurement range +/- 30’, accuracy < 25”

Level indicator Electronic bubble in onboard control and software

Laser plummet Laser class 2 (in accordance with IEC 60825-1 resp. EN 60825-1)Centering accuracy: 0.5 mm / 1 mLaser dot diameter: < 1.5 mm @ 1.5 mSelectable on / off

Data transfer Ethernet or USB 2.0 device (two ports)

Data storage 64 GB flash drive (integrated), 2 x 32 GB USB flash drive (external)

Communications Ethernet or integrated Wireless LAN (WLAN)

Data integry monitoring

Self-check at startup

Electrical

Power supply 24 V DC, 100 -240 V AC

Power Cons. < 65W (on average)

Battery Type Internal: Li-Ion

Power ports Internal: 1, External: 1

Duration Internal: > 2.5 h , AC power supply: unlimited

Power status LEDs indicate charging status and capacity level

Environmental

Temperature Operating -10 °C to +45 °C / Storage -20 °C to +50 °C

Lighting Fully operational between bright sunlight and complete darkness

Humidity Non-condensing

Dust / humidity IP53 (IEC 60529)

Physical

Scanner Dim. / Weight 286 mm D x 170 mm W x 395 mm H / 9.8 kg, nominal

Battery (internal)Dim. / Weight 88 mm D x 170 mm W x 61 mm H / 1.2 kg

AC Power SupplyDim. / Weight 167 mm D x 67 mm W x 35 mm H / 0.54 kg

Standard Accessories Included

Scanner and accessory transport case2x 32 GB USB memory stick, 1x USB plugAdditional rechargeable intergrated batteryCharging / power cable, Ethernet cable, A/C cableBattery charger / AC power supplyBattery charging cradle for internal batteryCleaning kit CycloneTM SCAN software 1 year CCP Basic support agreement

Hardware Options

Notebook PC, Tablet PC, or PDAHDS scan targets and target accessoriesService agreement for HDS7000Extended warranty for HDS7000External camera kit (third party product) External battery Tripod, tripod star, rolling base

Notebook PC for scanning with Cyclone software D

Component Processor RAM Network card Display Operating system

required (minimum)1.7 GHz Pentium M or similar1 GB or greater (2 GB for Windows Vista) EthernetSVGA or OpenGL accelerated graphics card (with latest drivers) Windows XP Professional (SP2 or higher) (32 or 64)Windows Vista (32 or 64), Windows 7 (32 or 64)

Control Options

Full colour touch screen for onboard scan controlLeica Cyclone SCAN software (see Cyclone SCAN data sheet for full list of features)Web browser

Ordering Information

Contact Leica Geosystems or authorized representatives

All specifications are subject to change without notice.All accuracy specifications are one sigma unless otherwise noted.

1 Detailed explanation on request 2 Data rate 127000 pts/sec (equivalent to “high resolution, high quality scan),

1 sigma range noise, unfiltered raw data3 All values extrapolated 4 “Preview” resolution not recommended for exact measurements, only for

positioning higher resolution scan selections5 Only recommended for scan selections because of enormous amount of data 6 Doubling (“low quality”) and halving (“high quality”) the data rate (pixel/sec.)

theoretically increases the range noise on each pixel by 40 % (“low quality”) or decreases it by 40 % (“high quality”) compared to “normal quality”. Depending on the roughness of the surface measured, in reality this difference could be less, especially when scanning objects with a bright surface at short distances, e.g. indoors

D Minimum requirements for modeling operations are different. Refer to Cyclone data sheet specifications

Windows is a registered trademark of Microsoft Corporation. Other trademarksand trade names are those of their respective owners.

Illustrations, descriptions and technical specifications are not binding and may change. Printed in Switzerland – Copyright Leica Geosystems AG, Heerbrugg, Switzerland 2011. 789094en – III.11 – RDV

4

B – Processus d’acquisition des données L’acquisition des données en statique respecte un protocole que nous allons détailler.

B.1 – En statique

B.1.1 Surface plane

Etape 1 : Matérialisation au sol des différentes positions des instruments à : 1, 2, 3, 4, et 5m du mur, grâce à un décamètre et à un papier collé sur le sol. Des lignes sur le sol me permettent de respecter un axe perpendiculaire au mur.

Figure 1 : Matérialisation au sol à intervalles réguliers des différentes positions des instruments

Etape 2 : Mise en place de la structure permettant le recalage entre les différents scans. Elle est composée d’un triangle de signalisation sur lequel sont fixées quatre balles de ping-pong. Elle est disposée entre l'instrument et le mur. Cette structure devra rester fixe entre chaque acquisition des données.

5

Figure 2 : La structure avec les balles de ping-pong est fixe et se situe entre la surface scannée et le mur

Etape 3 : Mise en place sur un trépied centré sur le point au sol du scanner laser à 1m du mur et acquisition des données avec le laser scanner HDS 7000.

Figure 3 : Scanner laser HDS 7000 stationné sur le point situé à un mètre de la surface scannée

Le trépied ne doit pas bouger lors du changement d'instrument.

6

Etape 4 : Mise en place de la Kinect sur l’embase ayant servi à la première acquisition.

Figure 4 : Kinect stationnée sur le point à un mètre de la surface scannée

La dernière étape consiste à prendre une première acquisition de données avec le logiciel Scenect puis sans rien modifier, acquérir les mêmes données avec Kinect Fusion.

Nous verrons dans la partie : C- Processus de traitement des données sous 3d Rechaper, quelles sont les données issues de ces trois scans.

B.1.2 Surface quelconque

La surface quelconque se scanne de la même façon que la surface plane. Cependant, nous n’avons effectué qu'une seule acquisition de données à 1.5m. Nous avons placé 4 balles de ping-pong à différentes hauteurs, sur les étagères et nous avons scanné la scène avec le laser scanner, puis avec la Kinect, en utilisant les deux applications.

Figure 5 : Scan de la surface quelconque avec la Kinect

B.2 – En dynamique Lors des acquisitions des données en dynamique, nous nous sommes assurés que la scène ou l'objet scanné reste fixe.

B.2.1 Analyse de l'exactitude des données produites par la Kinect sur une scène de quelques mètre carrés Pour analyser l'exactitude de la Kinect, nous avons comparé les données acquises avec le laser scanner HDS 7000 et celles issues de la Kinect sur une scène d'environ 4 mètres carrés composée de plusieurs cibles circulaires Leica posées sur le sol. Nous avons aussi scanné une partie du mur se situant derrière les cibles.

7

Etape 1 : Scan de la scène avec le laser scanner HDS 7000

Figure 6 : Scan de la scène avec les cibles au sol par le laser scanner HDS 7000

Etape 2 : Scan de la même scène avec la Kinect

Comme en statique, nous scannons la même scène avec les deux logiciels. Nous avons essayé de respecter la même trajectoire et la même vitesse d'acquisition lors des deux prises de mesure.

Figure 7 : Scan de la scène avec la Kinect

Nous n'avons effectué qu'un seul passage pour chaque application.

B.2.2 Analyse de l'exactitude des données produites par la Kinect sur un objet de quelques centimètres carrés. Pour analyser l'exactitude de la Kinect, nous avons comparé les données acquises avec le bras de mesure Romer 7525 de Hexagon Metrology avec celles acquises avec la Kinect. La comparaison s'est

8

faite sur un objet de plus petite taille que la scène acquise avec le laser scanner. Nous avons choisi de scanner le chargeur de batterie de Leica.

Etape 1 : Fixation des balles de ping-pong sur l'objet permettant le recalage entre les différents nuages. Nous avons fixé quatre balles de ping-pong autour de l'objet grâce à du scotch double face.

Figure 8 : Objet scanné avec les quatre balles de ping-pong servant au recalage

Etape 2 : Scan de l'objet avec le bras de mesure Romer 7525

Figure 9 : Objet scanné avec le bras de mesure Romer 7525 de Hexagon Metrology

Etape 3 : Scan de l'objet avec la Kinect

Comme en statique, nous avons scanné l'objet avec les deux logiciels, en essayant de respecter la même trajectoire et la même vitesse d'acquisition. Nous avons tourné autour de l'objet.

9

B.2.3 Analyse de l'exactitude des données produites par la Kinect sur une surface plane Après avoir scanné la surface plane claire non lisse au scanner laser, nous l'avons scannée avec la Kinect. Pour recaler les nuages entre eux, nous avons utilisé la structure composée des balles de ping-pong que nous avons scannée avec la surface plane. Nous avons décrit avec la Kinect trajectoire permettant de scanner la surface plane en entier en respectant le plus possible la même distance de prise de mesure.

Figure 10 : Trajectoire suivie par la Kinect lors de l’acquisition des données

Nous allons détailler le processus du traitement des données.

C – Processus de traitement des données sous 3dReshaper Nous allons détailler les différentes étapes du traitement des données en statique et en dynamique.

C.1 Calcul de l'erreur moyenne quadratique

C.1.1 En statique En statique, nous avons scanné plusieurs types de surface : des surfaces planes claires, lisses et non lisses, des surfaces planes sombres et une surface quelconque. Le traitement des données est exactement le même pour toutes les surfaces planes. Nous distinguerons donc, uniquement, le traitement des données des surfaces planes de celui de la surface quelconque.

10

C.1.1.1 Surface plane

Etape 1 : Importation des données sous 3dRshaper

Nous avons importé les trois types de format que fournit le laser scanner HDS 7000 et les logiciels Scenect et Kinect Fusion. Le laser scanner produit un fichier au format .zfs, Kinect Fusion un format .pts et Scenect un format .xyz.

Figure 11 : Processus d’importation des nuages de points sous 3dReshaper

Etape 2 : Nettoyage des nuages de points afin de pouvoir observer plus facilement la surface plane (mur).

L’outil Modification du nuage de points nous permet de sélectionner la zone du nuage de points voulue. Par la suite, nous pouvons supprimer les points soit à l’extérieur, soit à l’intérieur, soit garder les deux parties.

Figure 12 : Processus de nettoyage des nuages de points

11

Etape 3 : Modélisation des balles de ping-pong par des sphères dans chaque nuage de points.

3dReshaper nous fournit un écart type entre le nuage de points et la modélisation de ce dernier. Une information colorimétrique nous permet d’appréhender la qualité de la modélisation.

Figure 13 : Modélisation des nuages de points représentant les sphères qui permettent de recaler les nuages entre eux

Etape 4 : Recalage des deux nuages de points issus de la Kinect sur le nuage de points provenant du scanner laser.

Pour recaler les nuages entre eux, nous avons utilisé l’outil Aligner des points, qui nous permet de sélectionner dans chaque fenêtre le même point et d’obtenir un rapport qui nous informe de la qualité du recalage.

Figure 14 : Recalage des nuages de points grâce aux sphères modélisées

12

Etape 5 : Modélisation du nuage de points obtenu avec le HDS 7000 par un plan théorique.

Comme pour le recalage, 3dReshaper nous informe de la qualité de la modélisation.

Figure 15 : Modélisation d’une surface plane par un plan

Etape 6 : Création d'un nouveau repère grâce à l’outil Aligner repères contenant les deux nuages de points matérialisant le mur et le plan théorique de façon à générer uniquement un écart en Z, le plan théorique étant contenu dans le plan XY.

Figure 16 : L’outil Aligner des repères permet de mettre dans un même repère le nuage de points et le plan modélisé

13

Etape 7 : Comparaison du nuage de points avec le plan théorique.

3dReshaper propose l’outil Comparer/Inspecter qui nous permet d’obtenir un rapport .csv avec les écarts constatés.

Figure 17 : Rapport établi après une comparaison grâce à l’outil Comparer/Inspecter

Etape 8 : Création d'un fichier Excel contenant la déviation de chaque point qui correspond à un déplacement sur l’axe Z perpendiculaire au plan.

Figure 18 : Rapport de la comparaison fournie par 3dReshaper

Etape 9 : Calcul du maximum, du minimum, de la moyenne et de la moyenne en valeur absolue des écarts.

Les formules 1, 2, 3,4 nous permettent de calculer les valeurs caractéristiques.

maximum(J104:J108) (1)

minimum(J104:J108) (2)

moyenne(J104:J108) (3)

moyenne(abs(J104:J108)) (4)

14

Etape 10 : Calcul de la répartition des erreurs comprises entre des bornes choisies, puis mise sous forme de pourcentage de la répartition.

La formule (5) permet de calculer la répartition des écarts issus de la comparaison

NB.SI.ENS($j$2:$j$380605;">=-0,002";$j$2:$j$380605;"<=0,002") (5)

Etape 11 : Modélisation de la répartition des écarts sous forme d'histogramme.

Figure 19 : Outil création d’histogramme sous Excel permettant de générer un histogramme

C.1.1.2 Surface quelconque

3dReshaper permet de modéliser un nuage de points en choisissant la distance minimale entre deux points. A partir de cette distance minimale, nous avons pu créer un maillage et déterminer la taille des triangles. Nous avons adapté nos choix en fonction du rendu visuel.

Figure 20 : Modélisation de la surface quelconque sous 3dReshaper

Le processus de comparaison est le même que pour une surface plane.

C.1.2 En dynamique

C.1.2.1 Analyse de l'exactitude des données produites par la Kinect sur une scène de quelques mètres carrés

15

Nous avons importé sous 3dReshaper les trois nuages de points issus du laser scanner HDS 7000 et de la Kinect sous Scenect et sous Kinect Fusion.

Figure 21 : Importation des trois nuages de points sous 3dReshaper

Nous avons recalé les nuages de points entre eux grâce aux points homologues.

Figure 22 : Les nuages issus de la Kinect et du laser scanner HDS 7000 sont recalés entre eux

Nous avons modélisé le nuage de points issu du laser scanner et nous l’avons comparé aux nuages de points issus de la Kinect.

Figure 23 : Comparaison du nuage de points issu de la Kinect et du nuage de points modélisé issu du laser scanner HDS7000

16

C.1.2.2 Analyse de l'exactitude des données produites par la Kinect sur un objet

de quelques centimètres carrés. Nous avons importé sous 3dReshaper les trois nuages de points issus du laser scanner HDS 7000 et de la Kinect, respectivement, sous Scenect et Kinect Fusion.

Figure 24 : Importation des trois nuages de points sous 3dReshaper

Nous avons modélisé le nuage de points issu du bras de mesure Romer 7525 et nous l’avons comparé à celui de la Kinect.

Figure 25 : Nuage de points issu du bras de mesure Romer 7525 modélisé

C.1.2.3 Analyse de l'exactitude des données produites par la Kinect sur une surface plane

Pour analyser l’exactitude des données produites par la Kinect sur une surface plane, nous avons modélisé le nuage de points obtenu avec le laser scanner HDS 7000 et nous l’avons comparé avec le nuage de points obtenu avec la Kinect.

Figure 26 : Comparaison entre le nuage de points obtenu avec la Kinect et celui du laser scanner HDS 7000.

17

D- Assemblage des données sous Cyclone

Après avoir importé les fichiers .zfs dans Cyclone, nous pouvons créer un sous fichier Registration dans lequel sera contenu le nuage de points en trois dimensions de l’ensemble de la surface scannée.

Deux fenêtres permettent à l’utilisateur de venir assembler les nuages de points entre eux. Un rapport permet par la suite de connaître la qualité de l’assemblage.

Figure 27 : L’option Registration permet d’assembler les scans entre eux.

Nous avons crée un sous fichier Model Space permettant de visualiser le modèle assemblé en trois dimensions, permettant de se déplacer autour.

Figure 28 : Nuage de points assemblé dans le sous fichier Model Space

Cyclone propose un affchage en cascade qui permet de visualiser les différents fichiers crées, tels que : Registration ou Model space.

18

Figure 29 : Différents sous fichiers crées sous Cyclone

Lorsque le modèle en trois dimensions a été validé, nous avons pu l’importer sous 3dReshaper sous le format .xyz afin de le recaler avec le nuage de points issu de Scenect. Puis nous avons pu les comparer.

Figure 30 : Le logiciel 3dReshaper permet de recaler deux nuages entre eux en prenant l’un des deux comme référence

Pour effectuer le recalage nous nous sommes servis des cibles en damier présentes dans toutes les pièces.

19

Figure 31 : Recalage des nuages entre eux grâce aux cibles en damier

Pour comparer les nuages entre eux, nous nous sommes focalisés sur des zones telles que les angles de pièces. Nous avons modélisé la zone issue du nuage de points du laser scanner HDS7000. Nous avons ensuite comparé le nuage de points issu de la Kinect à la surface modélisée.

Figure 32 : Modélisation de la zone choisie puis comparaison avec le nuage de points issu de la Kinect

Figure 33 : Création d’étiquettes permettant de connaître les écarts entre la surface modélisée et le nuage de points

Une coupe permet de se rendre compte de la différence entre les deux nuages de points.

20

Figure 34 : Coupe à 1.5 m dans le nuage de points