3D Surface Modeling From Point Clouds

The goal of this thesis is to implement software for creating 3D models from point clouds. Point clouds are acquired with stereo cameras, monocular systems or laser scanners. The created 3D models are triangular models or NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) models. Triangular models are constructed from selected areas from the point clouds and resulted triangular models are translated into a set of quads. The quads are further translated into an estimated grid structure and used for NURBS surface approximation. Finally, we have a set of NURBS surfaces which represent the whole model. The problem wasn’t so easy to solve. The selected triangular surface reconstruction algorithm did not deal well with noise in point clouds. To handle this problem, a clustering method is introduced for simplificating the model and removing noise. As we had better results with the smaller point clouds produced by clustering, we used points in clusters to better estimate the grids for NURBS models. The overall results were good when the point cloud did not have much noise. The point clouds with small amount of error had good results as the triangular model was solid. NURBS surface reconstruction performed well on solid models.

Use of airborne laser scanner data in demanding forest conditions

Most of the applications of airborne laser scanner data to forestry require that the point cloud be normalized, i.e., each point represents height from the ground instead of elevation. To normalize the point cloud, a digital terrain model (DTM), which is derived from the ground returns in the point cloud, is employed. Unfortunately, extracting accurate DTMs from airborne laser scanner data is a challenging task, especially in tropical forests where the canopy is normally very thick (partially closed), leading to a situation in which only a limited number of laser pulses reach the ground. Therefore, robust algorithms for extracting accurate DTMs in low-ground-point-densitysituations are needed in order to realize the full potential of airborne laser scanner data to forestry. The objective of this thesis is to develop algorithms for processing airborne laser scanner data in order to: (1) extract DTMs in demanding forest conditions (complex terrain and low number of ground points) for applications in forestry; (2) estimate canopy base height (CBH) for forest fire behavior modeling; and (3) assess the robustness of LiDAR-based high-resolution biomass estimation models against different field plot designs. Here, the aim is to find out if field plot data gathered by professional foresters can be combined with field plot data gathered by professionally trained community foresters and used in LiDAR-based high-resolution biomass estimation modeling without affecting prediction performance. The question of interest in this case is whether or not the local forest communities can achieve the level technical proficiency required for accurate forest monitoring. The algorithms for extracting DTMs from LiDAR point clouds presented in this thesis address the challenges of extracting DTMs in low-ground-point situations and in complex terrain while the algorithm for CBH estimation addresses the challenge of variations in the distribution of points in the LiDAR point cloud caused by things like variations in tree species and season of data acquisition. These algorithms are adaptive (with respect to point cloud characteristics) and exhibit a high degree of tolerance to variations in the density and distribution of points in the LiDAR point cloud. Results of comparison with existing DTM extraction algorithms showed that DTM extraction algorithms proposed in this thesis performed better with respect to accuracy of estimating tree heights from airborne laser scanner data. On the other hand, the proposed DTM extraction algorithms, being mostly based on trend surface interpolation, can not retain small artifacts in the terrain (e.g., bumps, small hills and depressions). Therefore, the DTMs generated by these algorithms are only suitable for forestry applications where the primary objective is to estimate tree heights from normalized airborne laser scanner data. On the other hand, the algorithm for estimating CBH proposed in this thesis is based on the idea of moving voxel in which gaps (openings in the canopy) which act as fuel breaks are located and their height is estimated. Test results showed a slight improvement in CBH estimation accuracy over existing CBH estimation methods which are based on height percentiles in the airborne laser scanner data. However, being based on the idea of moving voxel, this algorithm has one main advantage over existing CBH estimation methods in the context of forest fire modeling: it has great potential in providing information about vertical fuel continuity. This information can be used to create vertical fuel continuity maps which can provide more realistic information on the risk of crown fires compared to CBH.

3D Stripixel Detectors Simulation

Solid-state silicon detectors have replaced conventional ones in almost all recent high-energy physics experiments. Pixel silicon sensors don't have any alternative in the area near the interaction point because of their high resolution and fast operation speed. However, present detectors hardly withstand high radiation doses. Forthcoming upgrade of the LHC in 2014 requires development of a new generation of pixel detectors which will be able to operate under ten times increased luminosity. A planar fabrication technique has some physical limitations; an improvement of the radiation hardness will reduce sensitivity of a detector. In that case a 3D pixel detector seems to be the most promising device which can overcome these difficulties. The objective of this work was to model a structure of the 3D stripixel detector and to simulate electrical characteristics of the device. Silvaco Atlas software has been used for these purposes. The structures of single and double sided dual column detectors with active edges were described using special command language. Simulations of these detectors have shown that electric field inside an active area has more uniform distribution in comparison to the planar structure. A smaller interelectrode space leads to a stronger field and also decreases the collection time. This makes the new type of detectors more radiation resistant. Other discovered advantages are the lower full depletion voltage and increased charge collection efficiency. So the 3D stripixel detectors have demonstrated improved characteristics and will be a suitable replacement for the planar ones.

Näin opetan lisäävää valmistusta ja 3D-tulostusta: Pohdintoja uuden teknologian opetuksesta ja koulutuksesta

Additive manufacturing (shortened as AM), or more commonly 3D printing, consists of wide variety of different modern manufacturing technologies. AM is based on direct printing of a digital 3D model to a final product which is fabricated adding material layer by layer. This is from where term additive manufacturing has its origin. It is not only material what is added, but it is also value, properties etc. which are added. AM enables production of different and even better products compared to conventional manufacturing technologies. An estimation of potential of additive manufacturing can be gathered by considering the potential of laser cutting, which is one of the most widely used modern manufacturing technologies. This technique has been used over 40 years, and whole market around this technology is at the moment c. four billion euros and yearly growth is around 10 %. One factor affecting this success of laser cutting is that laser cutting enables radical improvements to products made of flat sheet. AM and 3D printing will do the same for three dimensional parts. Laser devices, which are at the moment used in 3D printing, are globally at the moment only around 1% of all laser devices used in any fabrication technology, so even with a cautious estimate the potential growth of at least 100 % is coming in next few years. Role of education is very important, when this kind of modern technology is industrially implemented. When both generation entering to work life and also generation who has been a while in work life understands new technology, its potential and limitations, this is the point when also product design can be rethought Potential of product design is driving force for wide use of additive manufacturing and 3D printing. Utilization of additive manufacturing and 3D printing is also opportunity for Finland and Finnish industry. This technology can save Finnish manufacturing industry. This technique has stron potential, as Finland has traditionally strong industrial know-how and good ICT knowledge.

3D-partikkelit aloittelijoille : tarkastelussa 3D-Kalevala-projekti

Opinnäytteeni teososana on 3D-Kalevala projektinimellä tunnetun animaation partikkeliefektit. Tarkastelen tarkemmin elokuvan Lumi-, Kylä-, Paja- ja Luola-kohtauksia. 3D-Kalevala on tietokoneella tehty animaatio, joka kertoo Suomen kansalliseepoksen Kalevalan päähenkilöstä Väinämöisestä. Elokuvassa vanha Väinämöinen muistelee nuoruutensa tapahtumia. 3D-Kalevala-projekti käynnistettiin vuonna 2003, mutta sen alkuperäiset tekijät eivät saaneet sitä valmiiksi, ja projektin teko keskeytettiin vuonna 2005. Vuoden 2006 keväällä projektiin perustettiin uusi kahden verkkoviestinnän opiskelijan projektiryhmä, jonka tehtävänä oli saada elokuva valmiiksi vuoden 2007 kevääseen mennessä. Kun aloitimme projektin tekemisen, olin kolmiulotteisessa mallinnuksessa aloittelija. Tästä johtuen opinnäytteen kirjallinen osa on opas aloittelijoille partikkelien maailmaan. Selvitän raportissani miten elokuvan partikkeliefektit rakennettiin, mitä niiden tekeminen minulta vaati ja miten ne loppujen lopuksi mielestäni onnistuivat. Elokuvan efektit tehtiin 3D Studio Max-ohjelman versiolla 6.0, ja tämän takia kirjoitankin efektien rakentamisesta kyseisen ohjelman keinoin. Projektin suuruuden vuoksi molemmat tekijät pääsivät tekemään monenlaisia töitä, mutta päävastuualueet olivat selvät. Minun osani oli tehdä elokuvaan efektejä. Partikkeliefektit ovat proseduraalisia efektejä, joiden avulla on mahdollista tehdä aidon näköisiä luonnonilmiöitä, kuten tulta, savua, kipinöitä ja veden roiskeita. Koska partikkeliefektit mallintavat reaalimaailman ilmiöitä, on tekijän hyvä olla kiinnostunut selvittämään ilmiöiden käyttäytymistä luonnossa. Raportoin myös projektin aikana huomaamistani hyvistä tavoista opiskella itsenäisesti partikkelien rakentamiseen käytettyjä tekniikoita. On hyvä lukea 3D Studio Maxin tasokasta käyttöohjesovellusta, tutustua Internetissä löytyviin 3D-aiheisiin foorumeihin, käydä aiheesta tutoriaaleja läpi sekä tutustua ohjelman ominaisuuksiin kokeilemalla ja tutkimalla itsenäisesti. Elokuvan efektit onnistuivat mielestäni kiitettävästi ottaen huomioon lähtötasoni. Löysin tapoja kehittää itseäni ja helppoja keinoja toteuttaa realistista jälkeä efektien rakentamisessa. Toivon, että raportistani olisi jollekin 3D-partikkeliefekteistä kiinnostuneelle hyötyä.

Keskeytyneen uusmediatuotannon jatkaminen : kohteena 3D-Kalevala

Opinnäytetyöni aiheena on keskeytyneen uusmediatuotannon jatkaminen. Monimuototyön työosana toteutettiin 7-minuuttinen 3D animaatio, joka kertoo Suomen kansalliseepoksen Kalevalan taruhahmosta Väinämöisestä, muistelemassa menneitä. Projekti käynnistettiin alun perin vuonna 2003, mutta resurssien vähetessä se keskeytyi vuoden 2005 loppupuolella. Keväällä 2006 projekti käynnistettiin uuden projektiryhmän voimin, jossa olin itse mukana vastaten muun muassa tuotannonohjauksesta ja hahmoanimoinneista. Uusi projektiryhmä oli henkilöstöresursseiltaan pieni, joten vastuualueet olivat monipuolisia. Keskeytyneen projektin jatkamisen ja haltuunoton haasteellisuus sai minut kiinnostumaan tutkia aihetta tarkemmin. Tuotannonohjaajana vastasin hyvin pitkälle tuotannon uudesta käynnistämisestä ja projektin saattamisesta vihdoin loppuun. Keskeytyneen projektin haltuunotto oli tilanteena kaikille uusi, mikä heijastui vaikeuksina uudelleen käynnistettyyn tuotantoon. Raportin tarkoituksena ei ole olla projektinhallinnallinen käsikirja, sillä käsittelen vain tämän projektin jatkolle oleellisina pidettyjä asioita. Projekti toivottavasti kuitenkin antaa kuvan huolellisen projektinhallinnan ja onnistuneen tuotannonohjauksen tärkeydestä. Jokainen keskeytynyt projekti ei ole aina välttämättä elvytettävissä - ainakaan alkuperäisessä muodossaan. Projektin jatkamista tulisi katsoa aina tapauskohtaisesti. Keskeytymiseen on useimmiten syynsä, joten ongelmien selvittäminen ja niihin puuttuminen on tärkeää ennen jatkopäätöksen tekemistä. Myös projektityöskentelytavat kehittyvät ja pohdin työssäni uusien projektinhallintatapojen, kuten wikien käyttöä projektinhallinnan työkaluna ja projektiyhteisön välistä viestintää edistävänä työkaluna.

Vendor Managed Inventory: the Critical Success Factors from the Manufacturer Point of View

Yritykset ovat pakotettuja erilaisiin yhteistyömuotoihin pärjätäkseen kiristyvässä kilpailussa. Yhteistyösuhteet kulkevat eri nimillä riippuen teollisuuden alasta ja siitä, missä kohtaa toimitusketjua ne toteutuvat, mutta periaatteessa kaikki pohjautuvat samaan ideaan kuin Vendor Managed Inventory (VMI); varastoon jakysyntään liittyvä tieto jaetaan toimitusketjun eri osapuolien kesken, jotta tuotanto, jakelu ja varastonhallinta olisi mahdollista optimoida. Vendor Managed Inventory on ideana yksinkertainen, mutta vaatii onnistuakseen paljon. Perusolettamus on, että toimittajan on kyettävä hallinnoimaan asiakkaan varastoa paremmin kuin asiakas itse. Tämä ei kuitenkaan ole mahdollista ilman riittävää yhteistyötä, oikeanlaista informaatiota tai sopivia tuoteominaisuuksia. Tämän työn tarkoitus on esitellä kriittiset menestystekijät valmistajan kannalta, kun näkyvyys todelliseen kysyntään on heikko ja kyseessäolevat tuotteet ovat ominaisuuksiltaan toimintamalliin huonosti soveltuvia. VMItoimintamallin soveltuvuus matkapuhelimia valmistavan yrityksen liiketoimintaan, sekä sen vaikutus asiakasyhteistyöhön, kannattavuuteen ja toiminnan tehostamiseen on myös tutkittu.

Performance analysis of software run-time behaviour using 3D-visualisation

Monimutkaisen tietokonejärjestelmän suorituskykyoptimointi edellyttää järjestelmän ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden kasvun myötä suorituskykyoptimointi tulee yhä tärkeämmäksi osaksi tuotekehitysprosessia. Tehokkaampien prosessorien käytön myötä myös energiankulutus ja lämmöntuotto ovat nousseet yhä suuremmiksi ongelmiksi, erityisesti pienissä, kannettavissa laitteissa. Lämpö- ja energiaongelmien rajoittamiseksi on kehitetty suorituskyvyn skaalausmenetelmiä, jotka edelleen lisäävät järjestelmän kompleksisuutta ja suorituskykyoptimoinnin tarvetta. Tässä työssä kehitettiin visualisointi- ja analysointityökalu ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämisen helpottamiseksi. Lisäksi kehitettiin suorituskyvyn mitta, joka mahdollistaa erilaisten skaalausmenetelmien vertailun ja arvioimisen suoritusympäristöstä riippumatta, perustuen joko suoritustallenteen tai teoreettiseen analyysiin. Työkalu esittää ajonaikaisesti kerätyn tallenteen helposti ymmärrettävällä tavalla. Se näyttää mm. prosessit, prosessorikuorman, skaalausmenetelmien toiminnan sekä energiankulutuksen kolmiulotteista grafiikkaa käyttäen. Työkalu tuottaa myös käyttäjän valitsemasta osasta suorituskuvaa numeerista tietoa, joka sisältää useita oleellisia suorituskykyarvoja ja tilastotietoa. Työkalun sovellettavuutta tarkasteltiin todellisesta laitteesta saatua suoritustallennetta sekä suorituskyvyn skaalauksen simulointia analysoimalla. Skaalausmekanismin parametrien vaikutus simuloidun laitteen suorituskykyyn analysoitiin.

3D-muodot tuoliaihion muotopuristuksessa

Diplomityössä tutkittiin muotopuristeissa käytettävien viilujen soveltuvuutta yhteistyöyrityksen, VK Valmiskaluste Oy:n, valmistaman lepotuolin materiaaliksi. Tuoliaihion muoto edellytti viilun taivuttamista kahteen suuntaan, eli kyseessä oli ns. 3D-muoto. Muotopuristeita valmistavissa yrityksissä tehtyjen haastattelujen perusteella valittiin viilumateriaalit ja mitattiin niiden murtovenymä. Materiaaleja testattiin puristamalla tuoliaihioita. Aihionmuoto edellytti viilulta vähintään 3,3 %:n venyvyyttä. Koepuristuksetvahvistivat murtovenymätestauksen tulokset, eli tutkitun aihion pintarakenne säilyi ehjänä käyttämällä paperitaustaista viilua tai 3D-muotoihin tarkoitettua 3D-viilua. Kirjallisuusosiossa on selvitetty taivutettavuuteen vaikuttavia tekijöitä ja viilun rakenteen muokkausta taivutettavuuden parantamiseksi .

The structure and development of Russia's food retail sector from the point of view of Finnish food industry

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää Venäjän ruoan vähittäiskaupan rakenne ja sen tuleva kehitys. Tällä hetkellä se on yksi maailman nopeimmin kasvavista markkinoista. Kasvun syynä on korkea öljyn hinta, jokaon kumuloitunut ihmisten palkkoihin. Kuitenkin vaikka tulot kasvavat, ruokaan käytetty osuus tuloista on pysynyt suhteellisen vakaana. Kulutus on siis siirtymässä laadukkaampiin ja arvokkaampiin tuotteisiin Modernien kauppojen osuus markkinoista on vielä pieni, koska Venäjän vähittäiskauppasektori on yhä hajaantunut perinteisiin kauppaformaatteihin kuten kioskeihin, toreille ja pieniin ruokakauppoihin. Kauppaketjut ovat kuitenkin tulossa merkittävämmiksi. Suurin markkina-alue vähittäiskauppiaille on Moskova, mutta tällä hetkellä ketjut laajentavat toimintojaan nopeasti myös muille Venäjän alueille. Parhaat kasvunäkymät ovat alueilla, vaikka Moskovan markkinat eivät olekaan kyllästyneet. Tärkein kasvua rajoittava tekijä Moskovassa on rakennustonttien ja kiinteistöjen saatavuus. Vähittäiskauppamarkkinat lähestyvät kyllästymispistettä, josta seuraa markkinoiden konsolidaatio. Tämä prosessi on jo alkanut, mutta kovin paljon yritysostoja ei ole vielätehty. Toistaiseksi kauppaketjut ovat tyytyneet muodostamaan alliansseja. Ketjut pyrkivät parantamaan asemaansa hintaneuvotteluissa muodostamalla osto-alliansseja, luomalla omia brändejä ja käyttämällä alueellista laajentumista lyömäaseena. Jotta ruoan tuottaja pääsisi myös alueellisille markkinoille, on sen ehkä suostuttava myymään tuotteitaan edullisempaan hintaan. Tavarantoimittajat ovat vahvassa asemassa silloin, kun heillä on toimiva jakeluverkko, kyky JIT-toimituksiin,kunnollinen dokumentaatiokäytäntö, vahva brändi ja edullinen hinta. Ns. listausmaksun suuruus voi määrittää tuottajan tuotteilleen saaman hyllytilan koon.

Unlicensed Mobile Access Concept from Testing Point of View

Viime vuosikymmenien aikana kommunikaatioteknologiat ovat kehittyneet erittäin paljon. Uusia verkkoja, liityntätekniikoita, protokollia ja päätelaitteita on luotu alati kehittyvällä vauhdilla, eikä hidastumisen merkkejä ole näkyvissä. Varsinkin mobiilisovellukset ovat kasvattaneet markkinaosuuksiaan viime aikoina. Unlicensed MobileAccess (UMA) on uusi liityntätekniikka mobiilipäätelaitteille, joka mahdollistaa liitynnän GSM- runkoverkkoon WLAN- tai Bluetooth - tekniikoiden avulla. Tämä diplomityö keskittyy UMAan liittyviin teknologioihin, joita tarkastellaan lähemmin ensimmäisissä kappaleissa. Tavoitteena on esitellä, mitä UMA merkitsee, ja kuinka eri tekniikoita voidaan soveltaa sen toteutuksissa. Ennenkuin uusia teknologioita voidaan soveltaa kaupallisesti, täytyy niiden olla kokonaisvaltaisesti testattuja. Erilaisia testausmenetelmiä sovelletaan laitteistonja ohjelmiston testaukseen, mutta tavoite on kuitenkin sama, eli vähentää testattavan tuotteen epäluotettavuutta ja lisätä sen laatua. Vaikka UMA käsittääkin pääasiassa jo olemassa olevia tekniikoita, tuo se silti mukanaan uuden verkkoelementin ja kaksi uutta kommunikaatioprotokollaa. Ennen kuin mitään UMAa tukevia ratkaisuja voidaan tuoda markkinoille, monia erilaisia testausmenetelmiä on suoritettava, jotta varmistutaan uuden tuotteen oikeasta toiminnallisuudesta. Koska tämä diplomityö käsittelee uutta tekniikkaa, on myös testausmenetelmien yleisen testausteorian käsittelemiselle varattu oma kappale. Kappale esittelee erilaisia testauksen näkökulmia ja niihin perustuen rakennetaan myös testausohjelmisto. Tavoitteena on luoda ohjelmisto, jota voidaan käyttää UMA-RR protokollan toiminnan varmentamiseen kohdeympäristössä.

Prosessilaitosten asennusjärjestyksen simulointi 3D-malleilla

Työn tavoitteena on haihduttamon asennusjärjestyksen havainnollistaminen 3D animaatiota hyväksikäyttäen, sekä sen hyödyntäminen niin myynti- kuin asennusneuvotteluissa. Kirjallinen osio perustuu tehtyyn 3D-animaatioon, joka onjaettu kolmeen pääalueeseen. Ensimmäisessä vaiheessa kerrotaan lyhyesti Andritz Oy:n liiketoiminnasta sekä selvitetään haihduttamoprosessin toimintaperiaatteet. Toinen alue käsittää toimintaprojektin, jossa tuotettu 3D-animaatio linkitetään sen käyttöympäristöön. Kolmannessa alueessa käydään läpi 3D-animaation tekoon liittyvät asiat. Lopuksi ennen yhteenvetoa käydään vielä läpi käyttäjien kommentit tehdystä animaatiosta.

3D-robottipoimintajärjestelmän kehittäminen

Lasertekniikkaa hyödyntävä 3D-kuvaustekniikka tuo uusia mahdollisuuksia robotilla suoritettavaan kasastapoimintaan. Kasasta otetun syvyyskuvan avulla tuotteista voidaan määrittää perinteisen XY-paikkatiedon lisäksi tuotteen korkeus- ja asentotieto. Näitä uusia ominaisuuksia hyödyntämällä robotilla voidaan suorittaa yksittäisen tuotteen poiminta kasasta eri korkeuksilta ja eri asennoista. Diplomityö kuuluu osana Master Automation Groupin ensimmäiseen 3D-tekniikkaan perustuvaan MAG PixCell 3D -robosoituun kappaleenkäsittelysoluun. Työn tavoitteena on kehittääsyvyyskuvan käsittelyyn algoritmeja, joiden avulla robotilla voidaan poimia yksitellen kasassa olevia metallisia saksen teriä. Algoritmien tarkoituksena on varmistaa kasasta löydettyjen terien poimittavuus sekä määrittää poimittavien terien korkeudet ja asennot. Tarkastusten jälkeen robotille välitetään terien XYZ-koordinaatti- ja asentotiedot.

The Boundaries of the Firm from the Extended Transaction Cost Economics Point of View - Empirical Study

Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia yrityksen rajoja laajennetun transaktiokustannusteorian näkökulmasta. Tutkimus oli empiirinen tutkimus, jossa tutkittiin viittä toimialaa. Tutkimuksen tavoitteena oli verrata paperiteollisuutta teräs-, kemian-, ICT- ja energiateollisuuteen. Aineisto empiiriseen osioon kerättiin puolistrukturoiduilla teemahaastatteluilla. Tutkimus osoitti, että laajennettu transaktiokustannusteoria soveltuu hyvinyrityksen rajojen määrittelyyn. Staattinen transaktiokustannusteorian selitysaste ei ole riittävä, joten dynaaminen laajennus on tarpeellinen. Tutkimuksessa ilmeni, että paperiteollisuudella verrattuna muihin toimialoihin on suurimmat haasteet tehokkaiden rajojen määrittämisessä.