Wenn Sie diesen Artikel lesen, haben Sie sicherlich schon von LiDAR gehört und sind neugierig darauf, was es ist und wie es funktioniert. LiDAR, die Abkürzung für Light Detection and Ranging oder Laser Imaging Detection and Ranging, ist eine fortschrittliche Fernerkundungstechnologie, mit der Sie 3D-Modelle von Orten oder Objekten erstellen können. Das System ist in der Lage, dreidimensionale Daten mit einer solchen Präzision zu erfassen, dass es die Realität perfekt abbildet. Das LiDAR-System wird in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Archäologie und im Bauwesen, und ist besonders nützlich, wenn es in 3D-Drucklösungen integriert wird. Da es sich um ein schnelles und genaues System handelt, wird es derzeit zur Unterstützung des Fahrens von autonomen, d. h. fahrerlosen Fahrzeugen eingesetzt.
Erfunden wurde die Technologie in den 1960er Jahren, um große Geländeflächen zu kartieren und zu vermessen, und hat sich mit der Integration von GPS- und INS-Systemen (Inertial Navigation System) exponentiell weiterentwickelt. Es handelt sich außerdem um eine Technologie, die sowohl in 3D-Scanner als auch in 3D-Drucker integriert werden kann, um deren Leistung zu optimieren. In diesem Artikel gehen wir im Detail darauf ein, was LiDAR ist, wie es funktioniert, welche Anwendungen es gibt und vor allem, wie man es in den 3D-Druckprozess integriert.
Ein aus luftgestützten LiDAR-Daten in der Punktwolke erstelltes 3D-Modell (Bild: ResearchGate – Kenji Omasa)
Was ist LiDAR und wie funktioniert es?
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei LiDAR um ein Fernerkundungsinstrument, das Laserimpulse verwendet, um die Entfernung von Objekten und Oberflächen zu messen und anschließend 3D-Modelle von ihnen zu erstellen. Das LiDAR-System besteht aus einem Laserscanner, einem LiDAR-Sensor und einem Prozessor, der für die Berechnung und Erstellung einer LiDAR-Punktwolke benötigt wird. Mithilfe eines Laserstrahls, der einer bestimmten Wellenlänge folgt, sendet dieses System Millionen von Lichtimpulsen pro Sekunde aus, die sich in Richtung einer zu scannenden Oberfläche oder eines Objekts ausbreiten. Die Pulse werden dann in Punkte umgewandelt, die das System erkennt. Diese ermöglichen es, eine LiDAR-Punktwolke zu erstellen, die auch als Punktwolke bezeichnet wird und eine Gesamtheit von Punkten innerhalb eines einzigen Scans darstellt. Der Prozessor des LiDAR-Systems verarbeitet die gesammelten Daten, indem er sie nach der Flugzeit (Time of Flight, ToF) misst, also nach der Flugzeit, die ein einzelner Laserimpuls benötigt, um zum Objekt und zurück zum Sensor zu gelangen. Die Messungen und 3D-XYZ-Koordinaten jedes Punktes werden durch die Kombination der vom Laserstrahl erzeugten vertikalen und horizontalen Winkel ermittelt. Da die Anzahl der Punkte nicht nur sehr dicht, sondern auch sehr präzise ist, entsteht eine äußerst detaillierte Darstellung des gescannten Objekts oder Ortes. Die häufigste Anwendung ist die Kartierung von Räumen.
Zusammenfassend kann man sagen, dass LiDAR funktioniert, indem es Laserimpulse auf eine Oberfläche aussendet und die Zeit misst, die diese brauchen, um zurückzukehren, wodurch die Entfernung mit äußerster Präzision bestimmt wird. Durch die tausendfache Wiederholung dieses Vorgangs, während sich der Sensor bewegt, wird eine dichte Punktwolke erzeugt, die die Szene oder das Objekt getreu darstellt. Diese Daten können anschließend verarbeitet werden, um ein detailliertes 3D-Modell zu erhalten.
Unterschiede zwischen LiDAR und Photogrammetrie
LiDAR und Photogrammetrie arbeiten nach demselben Prinzip, nämlich der Erkennung und dreidimensionalen Kartierung von Objekten oder Orten, doch geschieht dies nach unterschiedlichen Mechanismen. Die Photogrammetrie ist eine Technik, die zweidimensionale, aus verschiedenen Winkeln aufgenommene Fotos verwendet, um Daten von nahe gelegenen realen Objekten zu erhalten und 3D-Modelle zu erstellen. 2D- und 3D-Daten werden aus einem Bild extrahiert und in ein digitales 3D-Modell umgewandelt. Wie bereits erwähnt, verwendet LiDAR einen Laserstrahl, um einen Ort oder ein Objekt zu kartieren und eine Punktwolke zu erzeugen, aus der dann ein 3D-Modell erstellt wird. LiDAR ist zudem dem 3D-Scannen mit strukturiertem Licht näher als der Photogrammetrie. Die Photogrammetrie verwendet Kameras und nutzt das natürliche Licht für ihre Messungen. Dies kann sehr detaillierte Messwerte liefern, aber die Genauigkeit der erhaltenen Daten ist eng mit den zum Zeitpunkt der Vermessung herrschenden Lichtverhältnissen verbunden. Reflektierende oder transparente Oberflächen werden so möglicherweise nicht richtig erkannt. Die Qualität des 3D-Modells, das mit Hilfe der Photogrammetrie erstellt wird, kann daher je nach Auflösung der Bilder und der Anzahl der für die Aufnahmen verwendeten Standpunkte variieren.
Ein Bild, das verdeutlicht, wie die Photogrammetrie genau funktioniert. (Bild: Microgeo)
Darüber hinaus ist LiDAR äußerst präzise und führt selbst bei schlechten Licht- und Sichtverhältnissen genaue Messungen von schwierigen Oberflächen durch. Die Photogrammetrie eignet sich besser für die Vermessung all jener Objekte oder Umgebungen, die gut beleuchtet sind, während LiDAR nützlich ist, wenn man eine präzise Kartierung von Gebieten erstellen möchte.
Die Photogrammetrie, bei der Standardkameras zum Einsatz kommen, ist außerdem günstiger als LiDAR. Die geringen Kosten der Technologie führen jedoch zu 3D-Modellen, die mit ziemlicher Sicherheit später in der Nachbearbeitung manipuliert werden müssen, da sie nicht immer genau sind. Das mit LiDAR erstellte 3D-Modell ist genauer und muss nicht mit übermäßigen Nachbearbeitungstechniken optimiert werden. Die Photogrammetrie ist auch sehr nützlich, wenn es darum geht, Bilder zu erhalten, während LiDAR zwar die Punktwolke präzise erfasst, aber keine visuelle Dokumentation liefert, keine Texturen erfassen kann und keine Farbinformationen liefert.
Photogrammetrie ist kostengünstiger und einfacher als LiDAR, bietet jedoch eine geringere Präzision. Im Gegensatz dazu ist LiDAR zwar präziser, aber teurer und liefert keine visuellen Aufzeichnungen. Eine weitere Alternative sind herkömmliche 3D-Scanner, die eine hohe Detailgenauigkeit bieten und kosteneffizient sein können, aber in der Regel langsamer sind und weniger gut für die Erfassung großer Flächen geeignet sind als LiDAR-Systeme.
Arten von LiDAR-Scannern und mögliche Anwendungen
Grundsätzlich werden LiDAR-Scanner in zwei Typen unterteilt: Terrestrische Laserscanner (TLS), also landgestützt, und Airborne Laserscanner (ALS), das heißt, luftgestützt. TLS können statisch oder mobil sein. Statische Scanner sind Scanner, die auf nicht-mobilen Geräten wie Stativen oder festen Lösungen montiert sind und sehr hochwertige Vermessungen von Gebäuden, Stätten und Denkmälern durchführen. MLS hingegen sind Scanner, die auf mobilen Geräten, beispielsweise Maschinen, montiert sind. Mobile Scanner eignen sich für größere und dynamischere Scans, z. B. in den Straßen einer Stadt. In autonomen Autos oder Haushaltsstaubsaugern ist das LiDAR-System manchmal auf einer rotierenden Scheibe montiert, die es dem Laser ermöglicht, 360°-Messungen durchzuführen. ALS-LiDAR-Scanner sind auf Fahrzeugen, z. B. Flugzeugen, montiert und messen die Flugzeit, die die Laserimpulse vom Flugzeug benötigen, um den Boden zu erreichen und dann zurückzukehren. Häufig werden sie auch auf Drohnen mit Kartierungs- und Navigationsfunktionen montiert, um 3D-Geodaten ganzer Geländeoberflächen zu erfassen.
Wofür wird das LiDAR-System also eingesetzt? Dieses Fernerkundungssystem kann auf verschiedene Arten von Scannern angewandt und in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Es wird häufig in Haushaltsstaubsaugern eingesetzt, um Teile des Hauses zu kartieren und zu erkennen, die gereinigt wurden oder noch gereinigt werden müssen, in Autos, die mit autonomem Fahren ausgestattet sind, um Fahrpräzision und Sicherheit zu gewährleisten, in iPhones, um die Fokussierungsfähigkeiten zu verbessern und Anwendungen mit erweiterter Realität realistischer zu machen, in Google-Fahrzeugen, die ganze Landstriche kartieren und Daten sammeln sollen, die in die Google Earth-Datenbank aufgenommen werden. Die Integration von LiDAR-Sensoren in iPhones und iPads hat es den Nutzern ermöglicht, Software wie Polycam zu verwenden und Räume, Zimmer und Stockwerke schnell und detailliert zu erfassen.
Unterschiede in der Erkennung zwischen ALS, TLS und MLS. (Bild: MDPI)
Mit LiDAR ausgerüstete 3D-Drucker und -Scanner
Derzeit verfügen die meisten 3D-Drucker standardmäßig nicht über einen integrierten LiDAR-Sensor, aber es gibt einige Lösungen und experimentelle Projekte, die darauf abzielen, LiDAR in den Druckprozess zu integrieren. So hat beispielsweise der chinesische Hersteller Creality vor kurzem den K1 MAX auf den Markt gebracht, einen Drucker, der mit einem LiDAR-Scanner ausgestattet ist, um Anomalien auf dem Druckbett zu erkennen. Mit dem LiDAR-System können sowohl die erste Druckschicht als auch die nachfolgenden Schichten überwacht werden, so dass eine optimale Erstellung der Modelle gewährleistet ist. Auch der bekannte Hersteller Bambu Lab nutzt das LiDAR-System für seine Bambu Lab X1-Serie, um den Druck und die Durchflussmenge in seinen Druckern zu korrigieren. Wenn die auf dem Markt erhältlichen Lösungen jedoch nicht den individuellen Anforderungen entsprechen, spricht nichts dagegen, LiDAR in kundenspezifische Konstruktionen und Hybridlösungen zu integrieren, die vor allem im industriellen Bereich zum Einsatz kommen. Um eine Vorstellung von den Preisen zu bekommen, beginnen diese Lösungen bei mindestens 700 Euro, wie im Fall des Druckers von Creality, und können leicht 1.000 Euro überschreiten, wie beim Bambu Lab X1.
Was die Scanner betrifft, so gibt es auf dem Markt viele Geräte, die die LiDAR-Technologie nutzen. Es gibt Scanner wie den LiDAR 3D FJD Trion P1, der für die Kartierung von Innen- und Außenbereichen verwendet werden kann, aber auch Geräte wie den ARtec Ray II, der Orte und große Objekte in einer Entfernung von bis zu 130 Metern erkennen kann. Sie können sie auf den Seiten großer Händler wie Amazon oder direkt auf den Seiten der verschiedenen Anbieter kaufen. Die Preise variieren je nach Verwendungszweck beträchtlich: Für einfache Sensoren beginnen sie bei etwa 40 Euro, während professionelle Lösungen wie der Artec Ray II mehr als 90.000 Euro kosten können.
Vor- und Nachteile der LiDAR-Integration im 3D-Druck
Lassen Sie uns mit den Vorteilen beginnen. LiDAR ist, wie bereits mehrfach betont wurde, eine sehr nützliche Technologie, die dank der Punktwolke die Erfassung von Daten mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Die digitalen Modelle sind äußerst originalgetreu und müssen nicht durch Nachbearbeitung manipuliert werden. Diese Daten sind nicht statisch und können je nach Bedarf manipuliert werden. Die von LiDAR gelieferte Rückmeldung über die Datenerfassung erfolgt in Echtzeit und ermöglicht daher eine Änderung der Produktion und eine Glättung des Arbeitsablaufs, wodurch die Endqualität des Drucks verbessert wird.
Die Hauptnachteile beim Einsatz dieser Technologie liegen in den Kosten, die vor allem bei der Verwendung professioneller Lösungen beträchtlich sind. Da die Rohdaten der Punktwolke sehr groß sind, müssen sie unter Umständen erheblich bearbeitet werden, um sie an die für den 3D-Druck bestimmte CAD-Software anzupassen. Was die mobilen Geräte betrifft, so ist die Leistung von LiDAR-Sensoren, die z. B. in iPhones oder iPads integriert sind, oft geringer als die von dedizierten Systemen (TLS oder mobiles LiDAR).
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*Titelbildnachweis: American Oceans