《寫在前面》

在這個潑水成冰的時節(jié)，滬敖的技術(shù)小哥哥們?nèi)匀辉谕饷嫘量嘹s項目，由于保密時效的原因，本期無法和大家分享我們的ZX案例，因此，本期我們就來談?wù)劷趯W到的心得體會吧。

從“數(shù)字孿生”看三維掃描技術(shù)應(yīng)用

在科幻電影《普羅米修斯》中，一個紅色的激光球飛行一圈就將整個山洞環(huán)境的3D場景投射到桌面上，進入山洞的人可以借此判斷前行的方向；

在《鋼鐵俠》里也有一個十分有意思的片段，托尼·史塔克在設(shè)計、改進和修理戰(zhàn)衣的時候，并不是在圖紙或?qū)嵨锷线M行操作，而是通過一個虛擬的影像映射來實現(xiàn)，整個過程中，一個可視智能化的數(shù)字設(shè)計場景清晰地呈現(xiàn)在面前；

成龍主演的《十二生肖》里面也有類似的鏡頭，通過“手套”掃描復刻十二生肖銅像。

這些影視片段，或許就是未來科學的發(fā)展方向，也是三維數(shù)字“理想”的應(yīng)用方向。人類的科技不斷進步，在不斷實踐中，也出現(xiàn)了一個特定的概念，即數(shù)字孿生。

什么是數(shù)字孿生？

據(jù)百度百科介紹，數(shù)字孿生（Digital Twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。“數(shù)字孿生”概念的出現(xiàn)，很大程度上為人類的未來想象提供了一條愈發(fā)清晰的探索之路。

如何精確復刻現(xiàn)實

三維掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為現(xiàn)實與虛擬搭建了一座橋梁，通過光學、電子等技術(shù)的結(jié)合獲取物體的三維表面信息，將所有光源可視信息1：1地“搬”入計算機。

三維激光掃描技可以高速度、高精度的獲取海量被測物體的點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)被測物的三維建模。相比于傳統(tǒng)的單點測量的方式（獲取單點的三維空間坐標），三維激光掃描可自動、連續(xù)、快速地獲取目標物體表面的密集點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了從點測量到面測量的跨越。于此同時，三維掃描獲取的信息量也從點的空間位置信息擴展到了紋理信息和色彩信息，因此，三維激光掃描技術(shù)以其戶外工作效率高、還原度高、不接觸本體等特性被廣泛使用。

滬敖工作現(xiàn)場（使用TrimbleTX地面三維激光掃描儀）

滬敖工作現(xiàn)場

這種速度快，非接觸，高精度，安全性系數(shù)高的數(shù)據(jù)捕獲方式將現(xiàn)實場景用數(shù)以億級的“點”記錄下來，形成“三維點云模型”。

滬敖操作流程如下圖所示

現(xiàn)場勘查：明確項目環(huán)境、項目目的，了解作業(yè)現(xiàn)場情況，為項目方案的制定及工作量評估收集資料。

三維掃描：現(xiàn)場采集包括設(shè)備架設(shè)，站點轉(zhuǎn)換，參數(shù)設(shè)置等操作。

上圖點云數(shù)據(jù)為其他項目數(shù)據(jù)，僅做示意用途

數(shù)據(jù)拼接：將多個獨立掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到單個坐標系內(nèi)。站點之間通過重疊區(qū)域或公共點將所有數(shù)據(jù)拼接成整體。

上圖為其他項目數(shù)據(jù)，僅做示意用途

數(shù)據(jù)去噪: 三維掃描是進行了每秒數(shù)百萬次測量的結(jié)果，每次測量產(chǎn)生一個獨立的點。

掃描儀的激光點并不是無窮小，而是具有一定的直徑。因此，激光點可能有極小部分落在支撐物（例如粉塵）上，另一部分落在掃描對象表面上，此時掃描儀會接收到兩個相隔較遠的不同點的反射激光信號，從而產(chǎn)生噪點。通過使用點云處理軟件過濾器可更正選中的掃描點或從掃描中刪除該點，也可以人為判斷噪點，進行選中刪除。

現(xiàn)場拍攝：現(xiàn)場拍攝建筑、招牌等對象高清照片，獲取真實色彩信息，以便后期通過貼圖將色彩信息賦予白模，使模型更加逼真。

模型建立：三維點云模型具備建模所需的所有尺寸信息及相對空間位置。點云模型精度高，數(shù)據(jù)格式多樣化，是“逆向”建立目標模型的ZJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

貼圖：技術(shù)人員在貼圖前，先將之前實地拍照所得的照片進行處理，獲得各種貼圖的素材，之后將照片（或紋理材質(zhì)）附加到模型中。

上圖僅做示意用途

展望

數(shù)字孿生是一種實現(xiàn)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型映射的關(guān)鍵技術(shù), 它通過利用布置在系統(tǒng)各部分的傳感器, 對物理實體進行數(shù)據(jù)分析與建模, 形成多學科、多物理量、多時間尺度、多概率的仿真過程, 將物理系統(tǒng)在不同真實場景中的全生命周期過程反映出來, 數(shù)字孿生可以通過集成多維物理實體的數(shù)據(jù), 輔以數(shù)據(jù)分析和仿真模擬， 近乎實時地呈現(xiàn)物理實體的實際情況, 并通過虛實交互接口對物理實體進行控制。

簡單的說來，數(shù)字孿生主要由三部分組成:

1) 物理空間的物理實體;

2) 虛擬空間的虛擬實體;

3) 虛實之間的連接數(shù)據(jù)和信息.

建模是數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)和支柱，建模的方式有傳統(tǒng)測繪建模 、模型引用和三維掃描建模法等幾種，傳統(tǒng)測繪建模是以已有二維設(shè)計圖資料作為建模依據(jù) ，采用手工的方式， 在建模軟件里繪制出三維裝置模型，再與現(xiàn)場設(shè)備進行比對、核查，對模型進行完善和渲染的建模方法。 缺點是工作量大、周期長，對建模人員技術(shù)要求高。

模型引用是將工程設(shè)計中已建立的三維模型通過模型轉(zhuǎn)換接口導入系統(tǒng)的建模方法。采用這種方法的前提是能夠獲得設(shè)計方的三維數(shù)字文件，但是這類文件，而且由于現(xiàn)場施工和設(shè)計圖紙通常會有一定的出人，模型導人后需要進行勘測修正。

三維激光掃描建模法采用激光掃描儀對實體進行三維掃描，形成與實物裝置完全一致的點云圖（或三角面片），再在輔助軟件的幫助下由人工依托點云進行建模的方法，可以快速、便捷、準確的在數(shù)字空間對物理實物建立3D模型，保證了孿生模型具有高保真、高可靠、高精度的特征，對于具有高精度應(yīng)用需求的場景尤為適用。

目前滬敖在數(shù)字化設(shè)施、工程、工業(yè)、文化遺產(chǎn)等領(lǐng)域的三維掃描、三維建模擁有有了完善的解決方案，期待能為您服務(wù)。

滬敖3D是一家致力于三維數(shù)字化行業(yè)解決方案的技術(shù)型企業(yè)，擁有豐富的三維項目經(jīng)驗，公司以行業(yè)應(yīng)用為出發(fā)點，為客戶提供三維數(shù)字化采集、三維數(shù)據(jù)處理、三維數(shù)據(jù)管理等一系列應(yīng)用服務(wù)。

滬敖3D擁有結(jié)構(gòu)光拍照式三維掃描儀、手持三維掃描儀（大小空間）、地面三維激光掃描儀、無人機傾斜攝影測量、3D打印等多種技術(shù)手段，從幾厘米到幾百米的物體或三維空間，從幾個微米到幾個厘米的精度，滬敖均可提供涵蓋軟硬件產(chǎn)品和項目服務(wù)的完整解決方案。

滬敖3D目前主要服務(wù)于制造業(yè)（汽車、航空航天、船舶、模具、鑄造以及各種機械）、建筑業(yè)（建筑設(shè)計、施工、裝修等）、文化遺產(chǎn)（博物館、古建筑、考古等）、數(shù)字化工廠、JY公共安全、影視制作、教育等行業(yè)。提供質(zhì)量檢測、三維建模、逆向工程、數(shù)字存檔、GD/T分析、有限元分析、虛擬安裝、干涉分析、工程測繪、形變監(jiān)測、3D打印等技術(shù)方案。