三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)在工廠三維導(dǎo)覽系統(tǒng)建模中的應(yīng)用*

陳 滿，曹 國(guó)，何 渡，魏香梅，何 施，向 秦

（湖北省科技信息研究院，湖北 武漢 430071）

3D互聯(lián)網(wǎng)，也被稱成為Web3D，是一種立體的三維展示技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)在Web瀏覽器上展現(xiàn)3D的對(duì)象，是通過(guò)在瀏覽器中內(nèi)嵌3D虛擬場(chǎng)景的手段。它在保證3D立體效果的同時(shí)，有效地降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)和硬件的要求，讓互聯(lián)網(wǎng)用戶能夠快速地體驗(yàn)3D帶來(lái)的真實(shí)感受，并可讓使用者直接操控，做出如旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、放大和縮小等動(dòng)作[1]。

三維導(dǎo)覽系統(tǒng)的基礎(chǔ)是真三維還原的虛擬企業(yè)模型，可真實(shí)再現(xiàn)企業(yè)全貌，相較于普通單一的視頻或者圖片展示方式，人機(jī)互動(dòng)更能給受眾帶去強(qiáng)烈的感官刺激及映像。而且，三維導(dǎo)覽系統(tǒng)將視頻、圖片、音頻等所有類型的宣傳載體融合于一個(gè)有序的虛擬操作空間，較之單一宣傳載體，更加豐富多元化。

1 三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)

隨著航空、航天技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，攝影測(cè)量設(shè)備成本大幅度降低，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量已經(jīng)成為大規(guī)模、大區(qū)域測(cè)量的主要手段，經(jīng)過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)處理之后能夠提供豐富的地理空間信息資料。目前，該技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[2]。

建立三維導(dǎo)覽系統(tǒng)是企業(yè)信息化的重要環(huán)節(jié)，而車間三維模型數(shù)據(jù)測(cè)量采集與制作是整個(gè)三維導(dǎo)覽系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的一部分，是三維導(dǎo)覽系統(tǒng)研發(fā)運(yùn)行的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的人工方式在采集數(shù)據(jù)時(shí)，存在如下問(wèn)題：（1）效率低下，耗時(shí)費(fèi)力；（2）精度不高，難以滿足生產(chǎn)管理的需要；（3）得到的數(shù)據(jù)管理組織困難；（4）數(shù)據(jù)兼容性差，造成數(shù)據(jù)利用率低下。

針對(duì)企業(yè)在三維建模過(guò)程中存在的問(wèn)題，通過(guò)三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)采集生產(chǎn)車間的影像數(shù)據(jù)，該技術(shù)效率高，人工少，尺寸精確?；诓杉玫降某叽鐢?shù)據(jù)進(jìn)行模型的制作研究，建立真三維模型，進(jìn)而構(gòu)建三維數(shù)據(jù)庫(kù)，能在三維導(dǎo)覽系統(tǒng)框架平臺(tái)下與其他數(shù)據(jù)集成，為工廠產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、精細(xì)化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

基于三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)研發(fā)的采集系統(tǒng)包括采集工具及圖像測(cè)量軟件。該系統(tǒng)采用CCD傳感器作為信息獲取工具獲取真實(shí)場(chǎng)景的圖片信息，然后采用近景攝影測(cè)量原理獲取三維空間中的信息（如點(diǎn)的坐標(biāo)、兩點(diǎn)之間的距離以及點(diǎn)到直線的距離等）。

三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）獲取的信息量大。由于尺寸的獲取是通過(guò)解算相片得到的，因此理論上只要是相片上看得到的物體，就可以恢復(fù)出它的三維原貌。由于采用高分辨率和大視場(chǎng)的專用測(cè)量CCD相機(jī)，一次成相范圍大，故每相對(duì)所包含的數(shù)據(jù)信息多。此外，由于是采用相片測(cè)量，還可以通過(guò)相片獲得物體的顏色、狀態(tài)、紋理等信息，這是傳統(tǒng)方法不能相比的。

（2）現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間短，干擾現(xiàn)場(chǎng)程度小。由于尺寸的測(cè)量是通過(guò)相片得到的，因此不需要在現(xiàn)場(chǎng)花費(fèi)太多的時(shí)間，在現(xiàn)場(chǎng)所要做的工作僅僅是拍照。每套系統(tǒng)每天可獲取幾千平方米的工廠尺寸數(shù)據(jù)的圖片信息。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成便攜式，可以一人手持工作，可以因時(shí)因地工作，故無(wú)論是系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作的影響，還是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)工作的制約都很少。

（3）可以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和離現(xiàn)量測(cè)、再量測(cè)。當(dāng)獲得相片后，可以及時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，用相應(yīng)的軟件測(cè)量出所需要的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)然本系統(tǒng)的最大好處在于可以離現(xiàn)量測(cè)，可以讓大量的工作在事后用計(jì)算機(jī)完成。當(dāng)提交數(shù)據(jù)后，若對(duì)某些尺寸有懷疑，可以在相應(yīng)的相片上再次測(cè)量，而無(wú)須再到現(xiàn)場(chǎng)。這在處理某些瞬時(shí)場(chǎng)景的工作上具有特別的意義。

（4）獲取的尺寸精度高。由于采用了相當(dāng)成熟的立體攝影測(cè)量技術(shù)，配合計(jì)算機(jī)解析測(cè)圖技術(shù)和選取專業(yè)的高分辨率的測(cè)量相機(jī)，因此所獲取的尺寸精度高。

目前該系統(tǒng)多應(yīng)用于數(shù)字城市、航空領(lǐng)域等，用于制造業(yè)領(lǐng)域較少，因此要針對(duì)制造業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。從采集模式上，可通過(guò)尺寸的重新設(shè)計(jì)找到最適合車間環(huán)境的設(shè)備尺寸，以滿足測(cè)量環(huán)境改變的需要。從數(shù)據(jù)處理上，可通過(guò)繼續(xù)升級(jí)數(shù)據(jù)測(cè)量處理軟件來(lái)提高數(shù)據(jù)處理的效率。通過(guò)這兩項(xiàng)的改進(jìn)，可極大提高數(shù)據(jù)采集的效率，使本系統(tǒng)比傳統(tǒng)方式占據(jù)更大的優(yōu)勢(shì)。

2 影像采集與三維建模

數(shù)字化三維模型數(shù)據(jù)采集與制作是實(shí)現(xiàn)工廠實(shí)景仿真的基礎(chǔ)。其主要目的是實(shí)現(xiàn)通過(guò)虛擬模型對(duì)數(shù)字車間的真實(shí)模擬，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，提高制造的柔性和應(yīng)變能力，為經(jīng)營(yíng)決策服務(wù)。精確的三維實(shí)景模型將為制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織、經(jīng)營(yíng)管理等方面提供一個(gè)全新的技術(shù)手段，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。影像采集與三維建模作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 影像采集與三維建模作業(yè)流程圖

2.1 影像采集

在廠區(qū)、車間虛擬仿真場(chǎng)景模型制作過(guò)程中，影像采集是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。影像采集的詳細(xì)程度和質(zhì)量好壞將直接影響制作的效率、模型制作的精細(xì)程度和最終場(chǎng)景的效果。

（1）物體全貌

盡可能拍到廠房全貌，最好有鳥(niǎo)瞰，如果拍攝的環(huán)境不允許，可以以多個(gè)角度拍攝幾張照片，盡最大可能把一棟廠房的全貌表現(xiàn)出來(lái)，這樣建模人員只通過(guò)幾張照片就可以了解廠房的整體面貌。

（2）物體細(xì)節(jié)部分

物體拍攝中最重要的部分包括每個(gè)物體立面及物體的細(xì)節(jié)部分特征。盡量取物體的正立面拍攝，有時(shí)物體物前有很多遮擋物，拍攝時(shí)要規(guī)避這些遮擋物。另外，在拍攝細(xì)部時(shí)要根據(jù)物體等級(jí)的劃分考慮需詳細(xì)拍攝的區(qū)域及要建模的區(qū)域。

2.2 三維模型制作

三維模型的制作流程如圖2所示。制作的車間、廠房模型如圖3所示，裝務(wù)、工裝模型如圖4所示。

圖2 三維模型制作流程

圖3 車間、廠房模型

圖4 裝備、工裝模型

3 系統(tǒng)應(yīng)用

三維虛擬仿真工廠系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。

（1）企業(yè)對(duì)外宣傳及展示。根據(jù)企業(yè)個(gè)性化需求而設(shè)計(jì)出的企業(yè)園區(qū)漫游展示模塊、車間設(shè)備運(yùn)作展示模塊，可以形象生動(dòng)地再現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程，讓受眾在聯(lián)網(wǎng)的條件下有身臨車間觀摩的感覺(jué)。

（2）企業(yè)人員培訓(xùn)。其中獨(dú)立的個(gè)性化模塊可以再現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程中的任一可視化有序步驟。例如產(chǎn)品裝配過(guò)程中需要人工裝配大型設(shè)備，在前期的人員培訓(xùn)中，可能僅通過(guò)圖片或者裝配卡片形式的培訓(xùn)方式不能在有效時(shí)間內(nèi)對(duì)人員進(jìn)行系統(tǒng)的講解，而三維虛擬仿真工廠系統(tǒng)中所嵌入的獨(dú)立產(chǎn)品生產(chǎn)再現(xiàn)模塊能形象地對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的還原，對(duì)于新進(jìn)人員的培訓(xùn)工作起到了強(qiáng)有力的輔助甚至主導(dǎo)作用。

（3）提供全方位的產(chǎn)品展示。平臺(tái)具有360°全方位互動(dòng)功能，通過(guò)相應(yīng)的按鈕點(diǎn)擊觸發(fā)事件，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、運(yùn)作以及拆裝進(jìn)行了直觀詳細(xì)的展示，便于客戶了解產(chǎn)品構(gòu)造、工作原理及選型。產(chǎn)品展示領(lǐng)域可根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，考慮基于了解產(chǎn)品構(gòu)造或產(chǎn)品工作流程等出發(fā)，制訂展示方案。

（4）企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、車間改造、物流優(yōu)化等輔助作用。產(chǎn)品展示獨(dú)立模塊通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的操作，能讓受眾對(duì)企業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品有更加全面細(xì)致的認(rèn)識(shí)及了解，這是普通視頻及圖片無(wú)法做到的。前期專業(yè)尺寸數(shù)據(jù)采集工具所得的數(shù)據(jù)能夠提供給企業(yè)，為其日后工廠車間改造提供了基礎(chǔ)依據(jù)。而三維虛擬仿真工廠系統(tǒng)中的產(chǎn)品生產(chǎn)裝配模塊，則能為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化、生產(chǎn)裝配過(guò)程優(yōu)化提供相應(yīng)的有效的輔助作用。

（5）提供基于平臺(tái)的企業(yè)售后服務(wù)?？苫谄脚_(tái)提供三維動(dòng)畫(huà)，演示產(chǎn)品的工作原理、維修方法與流程、保養(yǎng)方法與步驟等售后服務(wù)、知識(shí)的普及，惠及客戶。

（6）衍生拓展應(yīng)用。系統(tǒng)構(gòu)建前期所建三維模型數(shù)據(jù)可二次利用，作為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期參考輔助依據(jù)。三維模型經(jīng)過(guò)處理能與其他平臺(tái)對(duì)接，用于企業(yè)開(kāi)發(fā)自身適用信息化輔助軟件平臺(tái)，如車間改造軟件、物流優(yōu)化軟件等。結(jié)合3D打印技術(shù)，經(jīng)過(guò)二次加工處理，前期模型能夠用來(lái)制作大型展示活動(dòng)中的沙盤(pán)模型及各種產(chǎn)品模型、模具。

（7）系統(tǒng)結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求融合各功能模塊。導(dǎo)覽平臺(tái)在具備三維展示功能的同時(shí)，可以基于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)、管理、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)方面的需要，開(kāi)發(fā)各功能模塊嵌入該平臺(tái)，對(duì)各生產(chǎn)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、人力資源管理數(shù)據(jù)等方面的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)與管理。各功能模塊可以輔助導(dǎo)覽平臺(tái)展示功能，對(duì)外宣傳展示企業(yè)，有利于科技管理部門政策信息的發(fā)布、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的管理、地區(qū)高企形象的對(duì)外展示。

在二維向三維轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，需要大量精確的三維數(shù)據(jù)以支撐系統(tǒng)的三維模型構(gòu)建。本文在企業(yè)已有傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，研究測(cè)量所得三維數(shù)據(jù)融入現(xiàn)有系統(tǒng)的途徑及實(shí)現(xiàn)方式。將本文研究結(jié)果運(yùn)用于企業(yè)三維導(dǎo)覽系統(tǒng)的構(gòu)建，滿足制造企業(yè)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及管理等方面的應(yīng)用，達(dá)到豐富企業(yè)對(duì)外宣傳及展示、人員培訓(xùn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、完善售后服務(wù)、支持制造業(yè)信息化共性前沿技術(shù)研究的目的。

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