實景三維重構(gòu)技術的研究與設計

摘 要：針對元宇宙、數(shù)字孿生領域存在的算力限制、VR終端成熟度不足和內(nèi)容構(gòu)建高成本的三大痛點，本項目提出了一種實景三維重構(gòu)技術，該技術的核心在于融合了國內(nèi)最長探測距離的小型隔爆式激光雷達、手持式激光三維掃描儀以及自主開發(fā)的高精度建圖軟件。通過激光雷達與視覺RGB的數(shù)據(jù)融合，可以實現(xiàn)在數(shù)十秒內(nèi)對1 000 m3的空間進行快速掃描，并獲取三維點云信息。同時對數(shù)據(jù)進行了輕量化、三角化平面擬合等處理，從而使得數(shù)據(jù)掃描與處理的速度更快、實景三維重建的效率更高。

關鍵詞：三維重構(gòu)；激光雷達；數(shù)字孿生；元宇宙

1 作品介紹

為了助力礦區(qū)惡劣環(huán)境測繪和保障采空區(qū)安全，從應用場景出發(fā)，融合隔爆式激光雷達、手持式激光三維掃描儀和自主開發(fā)的高精度建圖軟件，提出了一種實景三維重構(gòu)技術。

ZW-LiDAR-16防爆激光雷達是國內(nèi)首款最長探測距離的隔爆式小型激光雷達，主要面向油氣站和化工廠等Ⅱ類防爆場景中的無人巡檢監(jiān)測、機器人環(huán)境感知和無人機測繪等領域。防爆類別為IIC類，IIC類為Ⅱ類防爆電氣設備中的最高等級，適用于包括丙烷、乙烯、氫氣等在內(nèi)的爆炸性氣體環(huán)境。

團隊開發(fā)了高精度建圖軟件，包括以下五個功能：（1）讀取ROS包，展示bag文件信息；（2）根據(jù)錄制的ROS包建立點云圖，進行Rviz輸出；（3）建圖過程可視化，可即時保存點云圖、查看地圖及軌跡信息；（4）根據(jù)建圖場景修改建圖參數(shù)；（5）激光雷達和IMU標定。

在元宇宙賽道中，開發(fā)者都致力于為用戶提供沉浸式的3D環(huán)境，而本項目則在技術層面有效助力元宇宙的基礎設施建設。我們所提供的傳感器掃描設備與建圖服務均可應用在云旅游、大型游戲和文物保護等場景的構(gòu)建，為其提供高精度、輕量化和高性價比的三維重構(gòu)設備與云服務。

本項目基于已經(jīng)開發(fā)成熟的隔爆式激光雷達探測技術和點云擬合重構(gòu)技術，能很好地完成地下空間的三維測繪及機器人定位測量工作。激光雷達的隔爆技術和探測技術作為本項目的基礎，當前研究已經(jīng)非常成熟。本項目的核心在于如何將這些技術與點云擬合技術相結(jié)合并應用于地下環(huán)境的測繪和在地下工作的機器人的定位上。

2 技術原理

當前市場上擁有防爆能力的雷達稀少，而且相當一部分產(chǎn)品不重視探測能力，導致市面上的防爆激光雷達探測距離不足20 m，點云精度和穩(wěn)定性也難以滿足實際使用要求。而ZW-LiDAR-16防爆激光雷達作為國內(nèi)首款最長探測距離的隔爆式小型激光雷達，采用了纖維增韌特種材料防爆激光雷達結(jié)構(gòu)，并利用CAE迭代計算對結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化了數(shù)百萬次，極大地降低了結(jié)構(gòu)尺寸。該雷達已取得Ⅱ類防爆認證，以及由國家低壓防爆電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心頒發(fā)的“防爆電氣設備防爆合格證”，產(chǎn)品適用于包括丙烷、乙烯、氫氣等在內(nèi)的各種爆炸性氣體環(huán)境。防爆激光雷達產(chǎn)品如圖1所示。

本項目開發(fā)了用于實現(xiàn)高精度三維建圖的軟件。軟件基于激光雷達、IMU和GPS多種傳感器的因子圖優(yōu)化方案，并在幀圖匹配中使用幀-局部地圖取代幀-全局地圖，從而加速優(yōu)化過程，實現(xiàn)實時定位建圖。傳感器的融合使得該方法即使在快速運動和旋轉(zhuǎn)下也能精確實現(xiàn)定位與建圖。建圖測試結(jié)果如圖2所示。

為面向更大的用戶群體，完善了軟件在人機交互方面的不足，根據(jù)用戶需求添加了多種功能：（1）可選激光雷達線數(shù)：目前暫可選16線或32線；（2）可選所用傳感器：可以選擇利用單一激光雷達或采用多傳感器融合方式進行建圖，并且建圖參數(shù)可根據(jù)用戶建圖的實際場景進行修改；（3）本軟件添加了標定模塊：用戶可根據(jù)自己搭建的實際場景進行激光雷達、IMU的標定；（4）建圖過程可視化：可保存并查看已建地圖、運動軌跡。軟件使用界面和建圖結(jié)果如圖3所示。

針對元宇宙發(fā)展中算力限制、VR終端的成熟度限制、內(nèi)容構(gòu)建的高成本的市場痛點，本項目通過激光雷達+視覺RGB的數(shù)據(jù)融合方案，實現(xiàn)在數(shù)十秒內(nèi)對1 000 m3的空間進行快速掃描并獲取三維點云信息，將獲取的RGB信息附著于三維點云信息上，對點云數(shù)據(jù)進行三角化平面擬合（激光雷達每秒生成30～60萬個數(shù)據(jù)點，將會形成上千萬個三角化平面），并通過語義分割、特征提取等方式進行輕量化處理。較之于其他設備，本項目的輕量化方法可以實現(xiàn)更快速、更高效的掃描與處理數(shù)據(jù)，且不需要高算力的設備，從而擺脫元宇宙發(fā)展的算力限制與內(nèi)容構(gòu)建的高成本困擾。

3 創(chuàng)新點及市場前景

傳統(tǒng)的激光雷達不能兼顧隔爆性能和探測性能，而本項目中的隔爆技術已經(jīng)突破了這個難點。傳統(tǒng)的點云重建可能會不光滑或空洞比較多，本項目對此加以改進，使得重建表面更加光滑，并且能有效地與雷達探測技術相結(jié)合，完成地下空間的測繪及機器人定位工作。通過對標定板進行點云重建，擬合平面，從而測出掘進機或礦井機器人的位置及姿態(tài)，保證高精度地反饋其狀態(tài)，為掘進機或其他井下機器人的無人化作業(yè)及智慧礦山建設奠定基礎。本項目的研究成果除了可以直接應用于礦井巷道的測繪問題，還能應用于其他場合的測繪、測量作業(yè)中，如建筑測量、管道測量、暗涵病灶排查測量、倉儲體積測量等。

隨著“十四五”規(guī)劃的提出，實景三維技術順勢而“升”，國家數(shù)字化轉(zhuǎn)型、基礎測繪轉(zhuǎn)型、自然資源管理現(xiàn)代化建設等規(guī)劃進程的推進加快了實景三維技術變革的步伐。同時，隨著VR技術的推廣與元宇宙等數(shù)字孿生技術的落地，線下實體模型與線上虛擬模型的交互將愈加頻繁，通過傳感器等技術融合實現(xiàn)的實景三維重構(gòu)技術將是建設元宇宙的重要支撐。三維重構(gòu)技術是利用計算機表達客觀世界的關鍵技術，涉及計算機圖像處理、計算機圖形學、計算機視覺、計算機輔助設計等。空間三維實景建模技術能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取模型的紋理信息，建立高質(zhì)量、高精度的三維模型。三維測繪具有全方位實景展示和實時測量的特點，可應用于城鎮(zhèn)規(guī)則改造、水利水電、復雜地形測繪、土方計算及輔助設計。2020年全球三維重構(gòu)技術市場規(guī)模達到了2.96億美元，預計2027年將達到8.41億美元。

2020年八部委聯(lián)合下發(fā)《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》后，各主要采煤省份積極響應號召并出臺相關政策，智慧礦山建設正在如火如荼地進行。礦山企業(yè)亟需通過礦山信息化、智慧化建設應對日趨激烈的市場競爭壓力。煤炭行業(yè)作為傳統(tǒng)能源行業(yè)，為實現(xiàn)安全生產(chǎn)、管理效率提升的目標，也亟需與數(shù)字化、智能化相結(jié)合。在此背景下，三維測繪與重構(gòu)將成為熱點研究領域，實景三維重構(gòu)技術具有廣闊的市場前景。