季曉菲等/北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所

隨著圖形圖像獲取設(shè)備的不斷普及和升級(jí)，在制造行業(yè)中利用數(shù)字圖像等多媒體形式記錄產(chǎn)品的實(shí)施狀態(tài)已經(jīng)變得十分普及。近年來(lái)，航天領(lǐng)域?qū)τ诙嗝襟w記錄的要求越來(lái)越高，在航天型號(hào)產(chǎn)品研制過(guò)程中數(shù)字圖像等多媒體文件的數(shù)量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，一個(gè)型號(hào)僅總裝實(shí)施環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)字照片數(shù)據(jù)量就有幾十甚至上百個(gè)G，不斷提升的多媒體記錄需求和龐大的數(shù)據(jù)量給數(shù)字影像的采集、存儲(chǔ)、管理、檢索和分發(fā)、傳遞等都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

一、三維數(shù)字化技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

因型號(hào)產(chǎn)品種類多，設(shè)備繁多且各系統(tǒng)工作模式復(fù)雜給研制驗(yàn)證全面性帶來(lái)了挑戰(zhàn)，保存和展示航天型號(hào)產(chǎn)品內(nèi)外布局、外形尺寸、裝配關(guān)系及各類軟結(jié)構(gòu)信息，反映“真實(shí)”的總裝實(shí)施狀態(tài)很有必要。為了能夠較好地記錄總裝實(shí)施狀態(tài)，一般采取在總裝過(guò)程中進(jìn)行拍照記錄的方式，通過(guò)拍照實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器狀態(tài)的形象化記錄，保證研制過(guò)程的可追溯性。但是航天型號(hào)產(chǎn)品規(guī)模龐大，傳統(tǒng)的拍照方式不僅工作量巨大，而且獲得的照片為“離散式”的，后續(xù)查詢?yōu)g覽不便，難以保證實(shí)施狀態(tài)記錄的覆蓋性，無(wú)法滿足需求，迫切需要改進(jìn)。在型號(hào)研制過(guò)程中，因設(shè)備眾多，技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜，需要多次進(jìn)行各類測(cè)試，為保證型號(hào)產(chǎn)品狀態(tài)，大型試驗(yàn)和專項(xiàng)試驗(yàn)一般采用封閉式管理，往往測(cè)試人員無(wú)法進(jìn)入型號(hào)產(chǎn)品內(nèi)部，需要操作或檢驗(yàn)人員轉(zhuǎn)述，給狀態(tài)把控帶來(lái)一定困難，直觀地將型號(hào)產(chǎn)品實(shí)施狀態(tài)“真實(shí)”反映出來(lái)成為有待解決的問(wèn)題。

在圖像數(shù)據(jù)的管理以及檢索、瀏覽支持方面，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)單位采取的是將影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在個(gè)人電腦中，盡管給部分型號(hào)編制了照片記錄表格，但是手工檢索模式檢索的效率仍然較低。國(guó)外單位一般建立了影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過(guò)基于網(wǎng)頁(yè)的結(jié)構(gòu)化交互式方式支持用戶遠(yuǎn)程查詢和瀏覽圖片。在圖片的檢索方面，將圖片與產(chǎn)品掛接，支持用戶圖形化檢索，這種模式相比于國(guó)內(nèi)的手工模式，照片檢索的效率和用戶友好性都明顯提升。但是，由于源數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，這種方式仍然不能解決影像信息的離散和完整性問(wèn)題。

全景是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)使用相機(jī)環(huán)繞進(jìn)行360度拍攝，將拍攝到的照片拼接成一個(gè)全方位、全角度的圖像，這些圖像可以在計(jì)算機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行瀏覽或展示。全景可分為虛擬全景和現(xiàn)實(shí)全景2種，虛擬全景是利用3DS MAX或者M(jìn)aya等軟件，制作出模型現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，而現(xiàn)實(shí)全景是利用單反相機(jī)或者全景相機(jī)拍攝的實(shí)景照片，由軟件進(jìn)行特殊拼接生成的真實(shí)場(chǎng)景。三維全景是使用全景圖像表現(xiàn)虛擬環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，也稱為虛擬現(xiàn)實(shí)全景，其優(yōu)勢(shì)如下：一是避免了一般平面效果圖視角單一，不能帶來(lái)全方位感受的缺憾；二是互動(dòng)性強(qiáng)，猶如身臨其境，最真實(shí)的感受，這一點(diǎn)也不同于缺少互動(dòng)性的三維動(dòng)畫(huà)；三是相比基于建模的虛擬全景，效果更加真實(shí)，而且制作周期短；四是全方位，全面展示360度球型范圍內(nèi)的所有景致，可觀看場(chǎng)景的各個(gè)方向；五是實(shí)景，真實(shí)的場(chǎng)景，三維實(shí)景大多是在照片基礎(chǔ)之上拼合得到的圖像，最大限度的保留了場(chǎng)景的真實(shí)性；六是360度環(huán)視的效果，雖然照片都是平面的，但是通過(guò)軟件處理之后得到的360實(shí)景，卻能給人以三維立體的空間感覺(jué)，使觀者猶如身在其中。常見(jiàn)的采集設(shè)備包括智能全景云臺(tái)、手持全景相機(jī)、艙外拍攝系統(tǒng)、全自動(dòng)拍攝導(dǎo)軌。

1.信息采集基本架構(gòu)

信息采集方面主要包括智能全景云臺(tái)系統(tǒng)、信息采集設(shè)備、拍攝控制系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)軌工裝和采集支持裝備5個(gè)模塊，通過(guò)各模塊的協(xié)同采集，形成“高分辨率全景拍攝+單反相機(jī)+卡片式數(shù)碼相機(jī)”的組合式信息采集模式，輸出包括高清全景照片、高清寬畫(huà)幅照片、微距全景照片、普通數(shù)碼照片、高清視頻在內(nèi)的總裝過(guò)程多維信息數(shù)據(jù)包，如圖1所示。

圖1 信息采集基本架構(gòu)

2.采集流程

（1）拍攝環(huán)境準(zhǔn)備

在航天器合適拍攝的位置放置腳架或?qū)к墸ㄟ^(guò)低壓無(wú)影光源布置環(huán)境光，使航天器內(nèi)部光照均勻柔和。在每站的全景拍攝過(guò)程中，不能移動(dòng)已布置好的腳架或?qū)к墸駝t會(huì)造成鄰接全景圖像無(wú)法拼接。

（2）拍攝系統(tǒng)組裝

將三角架置于拍攝方案設(shè)計(jì)的拍攝站點(diǎn)，調(diào)整好拍攝高度,將單反相機(jī)固定在全景云臺(tái)上,調(diào)整單反相機(jī)鏡頭與全景的軸向保持一致,將全景云臺(tái)固定在三腳架上，調(diào)整全景云臺(tái)至水平狀態(tài)，固定好拍攝系統(tǒng)硬件，使硬件系統(tǒng)在拍攝過(guò)程中保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生晃動(dòng)，調(diào)整相機(jī)為單一視差，如圖2所示。

圖2 采集流程

3.應(yīng)用領(lǐng)域

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在圖形測(cè)繪領(lǐng)域的飛速發(fā)展，三維掃描、傾斜攝影圖形逆推建模、360度全景掃描等先進(jìn)技術(shù)在文物維護(hù)、修復(fù)、數(shù)字化方面得到延伸和應(yīng)用。文物具有歷史信息豐富、珍貴、不可再生等特性，對(duì)容易損毀的文物應(yīng)盡量減少提取、觸摸。目前國(guó)內(nèi)外各大博物館及文保機(jī)構(gòu)均在應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)，積極推進(jìn)館藏珍貴文物的三維數(shù)字化工作，探索文物保護(hù)、研究、展示及合理利用的新路徑、新方案。

“中國(guó)印?舞動(dòng)的北京”是國(guó)家一級(jí)文物，在恒溫恒濕的條件下收藏于國(guó)家檔案館?；诳破招枨?，需要復(fù)制一個(gè)實(shí)物在奧運(yùn)博物館展示。2019年，研究人員在國(guó)家檔案館使用手持式掃描儀完成了“中國(guó)印?舞動(dòng)的北京”的三維數(shù)字化數(shù)據(jù)采集工作。由于印章的材料是玉器，有點(diǎn)反光，采用光學(xué)掃描原理的手持式掃描儀掃描精度沒(méi)有達(dá)到0.01mm級(jí)別，但是具備了復(fù)刻條件。三維模型處理完成后使用3D打印機(jī)打印模具，成功完成了該珍貴印章的復(fù)刻，采集到的三維數(shù)據(jù)也作為數(shù)字化文物進(jìn)行了存檔。

4.工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

在傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中零部件的檢測(cè)大多數(shù)借助目視檢查或者相機(jī)檢測(cè)，目測(cè)檢查受人的主觀因素控制，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大影響，在大批量生產(chǎn)過(guò)程中不能充分保障檢測(cè)質(zhì)量和產(chǎn)品合格率。為了解決這個(gè)行業(yè)難題，某汽車企業(yè)引入三維數(shù)字化在線檢測(cè)系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)可以自動(dòng)掃描流水線上傳送過(guò)來(lái)的產(chǎn)品，當(dāng)有產(chǎn)品進(jìn)入掃描區(qū)時(shí)，三維傳感器自動(dòng)觸發(fā)掃描獲得產(chǎn)品邊緣輪廓的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給處理單元，通過(guò)處理單元的決策控制算法實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整改進(jìn)，隨后通過(guò)以太網(wǎng)向后續(xù)工位上的自動(dòng)噴膠機(jī)械手發(fā)送按照預(yù)設(shè)參數(shù)修正后的軌跡線以及操作方向，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)、檢測(cè)、改進(jìn)過(guò)程的高效全自動(dòng)。

圖3 某企業(yè)三維掃描在線檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

二、三維數(shù)字化技術(shù)在航天型號(hào)產(chǎn)品中的應(yīng)用

1.三維測(cè)量

某型號(hào)產(chǎn)品裝配后涂裝厚度與實(shí)際差別較大，從產(chǎn)品出筒發(fā)射安全性考慮，需要精確測(cè)量二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)涂層厚度，對(duì)噴涂后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行外徑測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量手段對(duì)于測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)量工具的使用要求較高，不便于裝配后的產(chǎn)品實(shí)施測(cè)量，研究人員提出采用無(wú)接觸式掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。

研究人員使用手持式掃描儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外表面進(jìn)行軸向掃描，周向位置共取8～10點(diǎn)，重復(fù)掃描。隨后在電腦上模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)外徑尺寸，測(cè)量精度為0.2mm左右。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)涂層厚度進(jìn)行計(jì)算再修補(bǔ)后，結(jié)構(gòu)專業(yè)通過(guò)測(cè)厚儀對(duì)涂層厚度進(jìn)行再次測(cè)量，以滿足指標(biāo)要求?？焖贉y(cè)得帶涂層發(fā)動(dòng)機(jī)的外形直徑尺寸，不僅便捷高效，還極大地降低了手工測(cè)量誤差。

2.數(shù)字化存檔

三維數(shù)字化技術(shù)能夠高效、準(zhǔn)確地為技術(shù)人員提供產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的全方位空間位置信息，不但可以近乎真實(shí)地還原現(xiàn)場(chǎng)的視覺(jué)信息，還能提供準(zhǔn)確的空間位置量測(cè)功能，將試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄從傳統(tǒng)的二維拍攝檔案升級(jí)為三維數(shù)字化記錄存檔。

研究人員在天津某測(cè)試廠房對(duì)某航天型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行全景技術(shù)掃描，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)及級(jí)間段中的數(shù)據(jù)插口及線纜走向等重要位置信息，為型號(hào)提供三維數(shù)字化存檔服務(wù)，對(duì)后續(xù)型號(hào)開(kāi)展發(fā)射場(chǎng)質(zhì)量復(fù)查、總裝信息追蹤等工作提供了有力支撐。

3.VR虛擬裝配

借助高精度虛擬全景掃描技術(shù)，某型號(hào)組織在某廠完成發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵零部件掃描工作，后續(xù)通過(guò)VR與三維數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的集成，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)庫(kù)可視化管理及應(yīng)用；通過(guò)VR與實(shí)物數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的集成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與實(shí)物的可視化信息結(jié)合，使實(shí)物仿品得到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的表達(dá)。

三、未來(lái)設(shè)想

隨著科技的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，商業(yè)模式的不斷變革，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也不斷加劇，用戶需求越來(lái)越苛刻和個(gè)性化，傳統(tǒng)行業(yè)迫切需要借助數(shù)字化轉(zhuǎn)型來(lái)尋找新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)與發(fā)展模式。在航天領(lǐng)域建立一個(gè)數(shù)字孿生工廠，并利用工業(yè)數(shù)據(jù)總線將實(shí)際工廠與其數(shù)字孿生模型進(jìn)行連接，工廠的管理者便可以在全世界任何一個(gè)地方通過(guò)電腦里的工廠數(shù)字孿生模型掌握實(shí)體工廠當(dāng)前的加工任務(wù)、加工設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、產(chǎn)品的合格率等信息，結(jié)合360度全景掃描、大空間掃描、傾斜攝影逆推建模等多種掃描方式和多種數(shù)字引擎的開(kāi)發(fā)技術(shù)，為航天科研生產(chǎn)地的檢驗(yàn)檢測(cè)形成完整的技術(shù)生態(tài)環(huán)境。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)資源共享，建立自己的核心技術(shù)，根據(jù)型號(hào)需求進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)形成深度結(jié)合，將已有技術(shù)根據(jù)型號(hào)的需求進(jìn)行改善、開(kāi)發(fā)、形成市場(chǎng)影響力，對(duì)科研生產(chǎn)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

后續(xù)，在應(yīng)用層面，應(yīng)深化三維數(shù)字化技術(shù)在質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用，進(jìn)一步挖掘應(yīng)用場(chǎng)景；在技術(shù)層面，集三維掃描技術(shù)、虛擬全景建模技術(shù)、實(shí)景全景技術(shù)和傾斜攝影逆推建模技術(shù)等多維信息數(shù)字融合技術(shù)的研究和應(yīng)用，形成多維信息融合三維數(shù)字化存檔流程，為武器型號(hào)產(chǎn)品開(kāi)展質(zhì)量檢測(cè)、發(fā)射場(chǎng)質(zhì)量復(fù)查、總裝信息追蹤等工作提供有力支撐；在行業(yè)層面，制定流程化、數(shù)字化掃描作業(yè)，并建立三維數(shù)字化存檔檔案管理標(biāo)準(zhǔn)。