牛莊燈船數(shù)字復(fù)原關(guān)鍵技術(shù)

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

“牛莊燈船”是我國(guó)沿海最早使用的現(xiàn)代化航標(biāo)燈船之一，于1817年正式投入使用，距今已有200年歷史。從20世紀(jì)80年代起廢棄至今，該船長(zhǎng)期裸露在露天環(huán)境下，全船鋼結(jié)構(gòu)腐蝕變形嚴(yán)重，多處設(shè)備部件丟失，隨時(shí)有坍塌的可能。

通常的修復(fù)方法是對(duì)現(xiàn)有實(shí)物進(jìn)行全局加固和新增局部設(shè)備構(gòu)件?？紤]到燈船實(shí)際狀況，直接在原基礎(chǔ)上進(jìn)行修復(fù)會(huì)帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。而采用數(shù)字復(fù)原技術(shù)，利用數(shù)字設(shè)備對(duì)燈船實(shí)物進(jìn)行掃描和測(cè)量，通過測(cè)量結(jié)果重新構(gòu)建燈船三維數(shù)字模型的方法，不僅可以保存現(xiàn)有燈船實(shí)物的數(shù)字化信息和減少不必要的再破壞，還能為實(shí)船修復(fù)提供精細(xì)的、準(zhǔn)確的、工程化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。有效地降低實(shí)船修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)，提高實(shí)船修復(fù)效率。

數(shù)字復(fù)原技術(shù)在建筑、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用與研究鮮有報(bào)道。本文以牛莊燈船(見圖1)為對(duì)象，分析了數(shù)字復(fù)原技術(shù)在燈船修復(fù)過程中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，探討適用于船舶數(shù)字復(fù)原的基本方法。

圖1 “牛莊燈船”原貌

1 技術(shù)路線

數(shù)字復(fù)原技術(shù)的核心是把測(cè)量、掃描、采集、處理等手段得到的實(shí)物幾何信息，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)建出實(shí)物的數(shù)字模型，并用于生產(chǎn)制造的過程[1]。據(jù)此梳理出符合牛莊燈船數(shù)字復(fù)原的主要技術(shù)框架，見圖2。

圖2 牛莊燈船數(shù)字復(fù)原技術(shù)路線

選取符合場(chǎng)景需要的三維掃描儀，對(duì)實(shí)物原型進(jìn)行測(cè)量掃描并獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；利用逆向工程技術(shù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)、精簡(jiǎn)、匹配處理，輸出燈船完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝成多邊形網(wǎng)格模型，并把多邊形網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換成曲面模型；曲面模型導(dǎo)入正向建模軟件對(duì)模型的特征造型復(fù)原。最終輸出的三維數(shù)字模型，不但繼承原有實(shí)物的數(shù)字信息，且符合工程修復(fù)和建造的需要。

2 三維激光掃描儀應(yīng)用

牛莊燈船的測(cè)距方式是通過相位法來實(shí)現(xiàn)的。通過2個(gè)同步反射鏡快速有序的旋轉(zhuǎn)，將激光發(fā)射器所發(fā)出的激光依次掃過被測(cè)物，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行往返振蕩，檢測(cè)發(fā)射和接受信號(hào)之間的相位差，從而獲得被測(cè)目標(biāo)的距離[2]。角度測(cè)量是把2個(gè)步進(jìn)電機(jī)與掃描棱鏡安裝在一起，通過改變激光光路，分別實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向掃描。

每一個(gè)激光點(diǎn)掃在被測(cè)物上都會(huì)被記錄，進(jìn)而形成實(shí)物的輪廓。每一個(gè)激光點(diǎn)本身都具有坐標(biāo)屬性，用來記錄該點(diǎn)在三維空間中的位置。這些三維坐標(biāo)采用空間極坐標(biāo)法來確定[3]，見圖3。

(1)

圖3 點(diǎn)云坐標(biāo)測(cè)量原理

3 三維測(cè)量與掃描

為了得到牛莊燈船實(shí)物的表面細(xì)節(jié)，考慮到燈船總長(zhǎng)30.95 m，型寬7.9 m，型深4.6 m的體積范圍，選用某公司最新的Focus Series S350相位式三維激光掃描儀。設(shè)備實(shí)際最遠(yuǎn)測(cè)量距離可達(dá)614 m，掃描精度在±1 mm內(nèi)，掃描速度可達(dá)97.6萬點(diǎn)/s，且外形小巧、便于攜帶，完全滿足牛莊燈船測(cè)量環(huán)境的要求。

要獲取牛莊燈船這種大型建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，單一站點(diǎn)的掃描策略顯然是不夠的，必須采用分站式掃描策略。測(cè)量站點(diǎn)分布太少，無法還原牛莊燈船的細(xì)節(jié)信息；而站點(diǎn)設(shè)置太多，又會(huì)加大后處理的難度。所以在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，盡量利用最少設(shè)站數(shù)量覆蓋最大的掃描面積，且在相鄰測(cè)點(diǎn)間設(shè)置至少3個(gè)標(biāo)志球，確保2個(gè)測(cè)點(diǎn)有30%以上的重復(fù)融合率，避免在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，出現(xiàn)大面積斷點(diǎn)的情況[4]。此次測(cè)量共設(shè)79個(gè)測(cè)量點(diǎn)(見圖4)，采集用時(shí)8 h，掃描后數(shù)據(jù)大小約為13.4 GB。測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)獲取和存儲(chǔ)燈船實(shí)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)量點(diǎn)分布

4 逆向工程技術(shù)

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用三維測(cè)量掃描技術(shù)獲得燈船表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)也采集了大量無用的數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步獲取燈船實(shí)物的有效數(shù)據(jù)信息，必須對(duì)掃描后產(chǎn)生的問題數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。

1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪處理。被掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)邊界會(huì)出現(xiàn)很多諸如像素一樣的噪點(diǎn)。這是因?yàn)?，燈船所在掃描?chǎng)地的周邊環(huán)境并不可能是純色背景，周邊環(huán)境越復(fù)雜，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪點(diǎn)就會(huì)越多。另外物體本身的色彩還原度與測(cè)量設(shè)備感光元器件感光度的誤差也是出現(xiàn)噪點(diǎn)的重要原因。因此，在處理過程中需要把這些多余數(shù)據(jù)剔除。

2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)光順處理。由于現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備性能限制，再高端的設(shè)備在掃描物體時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的精度差，這些精度差會(huì)造成被測(cè)物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)凹凸不平。對(duì)這些凹凸不平的表面進(jìn)行光順處理不僅能得到更加符合實(shí)際的數(shù)據(jù)，還能精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)量，加快模型生成速度。

3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接處理。單一測(cè)點(diǎn)只能采集實(shí)物某一角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要通過多角度測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完成，而每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都具有單獨(dú)的坐標(biāo)系統(tǒng)。所以在進(jìn)行完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)，需要對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移操作，統(tǒng)一離散的坐標(biāo)系。

4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮處理。大型設(shè)備的掃描次數(shù)加之高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)勢(shì)必加重計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。在保證模型特征不變的情況下，適當(dāng)減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度，能夠有效提高模型計(jì)算效率。

4.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的封裝計(jì)算是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成由無數(shù)三角面片組成的多邊形網(wǎng)格。網(wǎng)格模型由三維空間中被稱為“頂點(diǎn)”的點(diǎn)連接到二維表面，然后組合和移動(dòng)這些表面形成的一個(gè)“外殼”，在整個(gè)燈船數(shù)字化復(fù)原過程中有著承上啟下的作用。

1)網(wǎng)格模型是生成數(shù)字化模型的依據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)只有封裝成網(wǎng)格模型后才能進(jìn)行數(shù)字化模型的重構(gòu)。

2)網(wǎng)格模型生成導(dǎo)出的STL格式是3D打印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，并可作為視景仿真、數(shù)字動(dòng)畫制作的基礎(chǔ)模型。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝計(jì)算的準(zhǔn)確度就顯得格外重要。網(wǎng)格模型見圖5。

圖5 網(wǎng)格模型

由于逆向軟件的算法問題，在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝的過程中，不可避免會(huì)出現(xiàn)形狀不一的網(wǎng)格缺失、多邊形錯(cuò)誤的情況。常用的解決方法是提取錯(cuò)誤網(wǎng)格面，按照周邊網(wǎng)格的曲率趨勢(shì)，修復(fù)形成連續(xù)光順的狀態(tài)。

4.3 曲面模型擬合

與網(wǎng)格模型“頂點(diǎn)”連接的方式不同，曲面模型是用數(shù)學(xué)上精確而復(fù)雜的曲線創(chuàng)建對(duì)象的輪廓，然后在其周圍形成表面。把曲面想象成帳篷，控制點(diǎn)是帳篷的釘子。曲面模型是數(shù)字工業(yè)設(shè)計(jì)與制造軟件的通用模型標(biāo)準(zhǔn)，能提供模型更多的細(xì)節(jié)水平，并占用更少的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。因此，把網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換成曲面模型是必須的。曲面模型見圖6。

圖6 曲面模型

牛莊燈船曲面模型的擬合依次分為曲線劃分、表面擬合和局部編輯3個(gè)步驟[6]。

1)在網(wǎng)格模型的表面劃分三維曲線，被劃分的曲線附著在網(wǎng)格模型表面并作為后續(xù)曲面擬合的邊界。根據(jù)曲率大小，控制曲線劃分的密度，如主船體艏艉曲線密度應(yīng)大于船舯的曲線密度。

2)選取劃分好的曲線進(jìn)行表面擬合。表面的好壞取決于曲線劃分的方式，對(duì)于形變過大的曲面，需重新劃分曲線。

3)在已創(chuàng)建好的曲面上進(jìn)行幾何修改，如舷窗、錨穴、梯道等的開孔信息等。

5 正向特征建模

雖然利用逆向工程技術(shù)對(duì)已有燈船實(shí)物進(jìn)行了還原，但由于原實(shí)物毀壞嚴(yán)重，通過逆向重構(gòu)的模型數(shù)據(jù)并不滿足工程修復(fù)的需要。因此，還需對(duì)燈船進(jìn)行特征造型的正向建模，使之還原到被使用前的原貌。燈船原貌的還原主要考慮對(duì)已有模型和缺失模型進(jìn)行重構(gòu)。

對(duì)已有模型的重構(gòu)而言，一是要解決散落部件重新組合的問題。牛莊燈船主要部件包括燈船主體及散落在一旁的舷墻、手動(dòng)起錨機(jī)、單雙柱帶纜樁、圍罩等部件，通過觀察主甲板上的焊接痕跡及尺寸比對(duì)，可對(duì)上述散落部件進(jìn)行組合還原。二是要解決主船體形變的問題。主要的方法是先將逆向重構(gòu)的模型導(dǎo)入正向建模軟件，根據(jù)模型測(cè)得燈船大致主尺度及肋骨間距等信息；提取模型的中縱剖線、橫剖線和主甲板邊線；分別投影在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)平面上；對(duì)線段進(jìn)行光順處理；選取相關(guān)線段進(jìn)行曲面放樣，最終得到重構(gòu)后的燈船主船體。

對(duì)缺失模型的重構(gòu)，如舵、燈塔、救生艇、雜物吊等設(shè)備，只能通過相同類型船舶的調(diào)研數(shù)據(jù)及搜索相關(guān)文獻(xiàn)資料，再由經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行建模。在保證幾何信息準(zhǔn)確的情況下，盡量還原模型真實(shí)度。圖7為最終輸出的三維模型。

圖7 最終輸出的三維模型