四維時(shí)代的微米級(jí)三維數(shù)字化掃描技術(shù)

鄭茂典

如今，你只需準(zhǔn)備一臺(tái)輕便的手機(jī)或者相機(jī)設(shè)備，即可完成捕捉空間的三維信息，輕松把現(xiàn)實(shí)世界的任何一個(gè)角落，搬進(jìn)三維虛擬世界。從精神文化家園，到智慧城市建設(shè)，僅需掃描城市街景、購(gòu)物廣場(chǎng)、博物館、歷史遺跡……這些場(chǎng)景將以“數(shù)字萬(wàn)物”的方式得以展現(xiàn)。

四維時(shí)代是青年科學(xué)家、國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃專家、國(guó)務(wù)院參事室網(wǎng)絡(luò)安全和信息化專家崔巖聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院、德國(guó)和歐美其他國(guó)家多所知名大學(xué)的碩博團(tuán)隊(duì)搭建的基于人工智能三維數(shù)字化技術(shù)的理論研究與成果應(yīng)用平臺(tái)。其中，四維時(shí)代研發(fā)的微米級(jí)三維數(shù)字化精細(xì)掃描技術(shù)，是目前全球首創(chuàng)的可達(dá)微米級(jí)精度掃描技術(shù)。

2017年，四維時(shí)代與德國(guó)人工智能研究中心（DFKI）在中德兩國(guó)總理見證下正式簽訂《中德人工智能研究院項(xiàng)目》，并成立中德人工智能研究院?；谛酆竦募夹g(shù)背景，四維時(shí)代建立了國(guó)內(nèi)首家3D數(shù)字化重建技術(shù)中心，解決方案及產(chǎn)品服務(wù)于故宮博物院、世博會(huì)中國(guó)館、港珠澳大橋、德國(guó)陶瓷博物館等100余項(xiàng)國(guó)內(nèi)外重大工程項(xiàng)目，涵蓋數(shù)字文博、數(shù)字城市和數(shù)字工業(yè)等領(lǐng)域，四維時(shí)代正在用先進(jìn)的人工智能三維數(shù)字化技術(shù)，為中國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“數(shù)字萬(wàn)物”奮斗。

自主攻關(guān)路徑? 幫助行業(yè)破局

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)90%以上的三維模型的采集和數(shù)據(jù)處理都依賴于國(guó)外進(jìn)口。由于實(shí)景三維數(shù)據(jù)精確度高、真實(shí)性強(qiáng)，在國(guó)家未來的城市治理中將發(fā)揮越來越重要的作用。特別自然資源部發(fā)布《關(guān)于全面推進(jìn)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)》通知后，實(shí)景三維軟硬件的國(guó)產(chǎn)化、自主創(chuàng)新和安全可控備受關(guān)注。對(duì)此，四維時(shí)代以自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，攻關(guān)研發(fā)出了全國(guó)產(chǎn)化的實(shí)景三維空間采集設(shè)備——四維深時(shí)。四維深時(shí)可對(duì)空間進(jìn)行高效快速虛擬重建，顯著提升了建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)、建筑室內(nèi)、道路設(shè)施、地下空間等部件的采集效率及數(shù)據(jù)處理能力。

此外，四維深時(shí)還可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外數(shù)據(jù)一體化建模，擁有“數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及成果應(yīng)用發(fā)布”完整的閉環(huán)工作流程，可輸出高精度實(shí)景三維模型，綜合輸出的圖像質(zhì)量高達(dá)16K，畫面支持4倍放大，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)景輕量化瀏覽，還支持物聯(lián)感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入，通過可視化技術(shù)賦能行業(yè)解決方案。

“當(dāng)然，我們的優(yōu)勢(shì)不僅在精度方面，其采集速度方面也表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)?！贝迬r介紹說，四維深時(shí)單個(gè)點(diǎn)位采集時(shí)間只需30秒，將行業(yè)的采集速度提升到一倍以上。過往行業(yè)內(nèi)平均1500平方米的空間可能需要長(zhǎng)達(dá)7個(gè)小時(shí)才能完全捕獲。對(duì)于同樣的空間，我們僅需3小時(shí)就能完成捕捉，給行業(yè)帶來驚人效益。

操作上，四維深時(shí)的整個(gè)機(jī)身只有一個(gè)操作按鍵，一鍵開機(jī)即可掃描。使用者只需將設(shè)備放置于固定的點(diǎn)位，設(shè)備自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一圈即可完成單點(diǎn)位拍攝。這意味著在不損失點(diǎn)云質(zhì)量的情況下，能夠降低工作執(zhí)行成本，減少人力資源投入。

同時(shí)，基于其強(qiáng)大的空間數(shù)字孿生能力，數(shù)據(jù)采集后可大幅減少測(cè)量工程師、建模工程師、制圖工程師、建設(shè)方、業(yè)主方監(jiān)理方等反復(fù)前往現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)信息的情況，極大降低了溝通與時(shí)間成本，當(dāng)完成點(diǎn)云采集后，數(shù)據(jù)將上傳云端。編輯系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展云計(jì)算重構(gòu)空間，計(jì)算結(jié)果通過后臺(tái)編輯平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集校準(zhǔn)、熱點(diǎn)互動(dòng)、地理注冊(cè)。支持無縫轉(zhuǎn)換到AutoCAD等專業(yè)軟件，輕松應(yīng)對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布共享，隨時(shí)隨地可在PC網(wǎng)頁(yè)端、移動(dòng)端中查看點(diǎn)云圖像。為激光掃描專業(yè)人員和工程師提供了一個(gè)端到端的現(xiàn)實(shí)捕捉解決方案。

助力實(shí)景三維? 為行業(yè)賦能

結(jié)合實(shí)景三維中國(guó)、新型基礎(chǔ)測(cè)繪、BIM、CIM、數(shù)字孿生等諸多領(lǐng)域新發(fā)展新需求，四維時(shí)代以前所未有的強(qiáng)大功能賦能行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，拓寬了三維激光掃描應(yīng)用場(chǎng)景，從建筑BIM、消防刑偵到文旅文博、數(shù)字博物館，四維時(shí)代的技術(shù)成果已賦能諸多行業(yè)。

在“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)指引下，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為能源行業(yè)的迫切需求，面對(duì)線路管路錯(cuò)綜復(fù)雜，能源設(shè)備門類多樣、結(jié)構(gòu)各異等常規(guī)建模難題，以燃?xì)庀禂?shù)字化轉(zhuǎn)型為例，四維時(shí)代自主研發(fā)的四維深時(shí)設(shè)備基于其高精度、高效率、低成本的數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢(shì)，滿足不同場(chǎng)景的快速采集，所見即所得，一次采集數(shù)據(jù)可多次復(fù)用，滿足燃?xì)忸I(lǐng)域的數(shù)字化需求，助力燃?xì)忸I(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型，筑牢安全底線。

采用四維深時(shí)對(duì)各類場(chǎng)站、室外架空管網(wǎng)、入戶管線等這3類燃?xì)夤艿肋M(jìn)行實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集，輸出的實(shí)景三維模型與三維點(diǎn)云模型可為無人值守場(chǎng)站提供數(shù)字孿生底座;為維檢部門提供精確的管網(wǎng)數(shù)據(jù)及信息化平臺(tái)數(shù)據(jù)資料;對(duì)入戶管理進(jìn)行空間采集，可以杜絕用戶違規(guī)改建室內(nèi)燃?xì)夤芫€，從而保證燃?xì)獾陌踩褂谩?/p>

以文物保護(hù)、文化傳播為目的測(cè)繪要求準(zhǔn)確地反映歷史建筑的現(xiàn)狀，包括殘損、構(gòu)件錯(cuò)置、改動(dòng)、變形等情況。在文物保護(hù)的應(yīng)用中，四維深時(shí)則采用高精度逆向建模及重構(gòu)技術(shù)，快速獲取大型實(shí)體或?qū)嵕澳繕?biāo)的三維立體信息，通過獨(dú)有算法重構(gòu)其3D數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事務(wù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、真實(shí)特性。

以國(guó)內(nèi)著名龍門石窟盧舍那大佛為例，盧舍那大佛是龍門石窟中藝術(shù)水平最高、整體設(shè)計(jì)最嚴(yán)密的一座造像。四維時(shí)代通過運(yùn)用全國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的四維深時(shí)設(shè)備，掃描精度達(dá)到1cm，建模范圍能達(dá)到260m，可以真實(shí)直觀、高精度獲取大佛的三維模型和點(diǎn)云信息。只需輕輕一按就可以捕獲整個(gè)空間的高精度數(shù)據(jù)，大大降低了采集時(shí)間，讓脆弱的文化遺產(chǎn)得到最大程度保護(hù)。

四維時(shí)代先后與故宮博物院、首都博物館、河南博物院等博物館合作，已累積服務(wù)超過超過100家博物館及文保單位。

我國(guó)已從“中國(guó)制造”逐步發(fā)展成為“中國(guó)智造”，四維時(shí)代作為“中國(guó)智造”的“出海項(xiàng)目”，參與了德國(guó)、法國(guó)、印度、巴基斯坦等國(guó)家的數(shù)字、虛擬博物館和藝術(shù)館的建設(shè)。“我們不能用技術(shù)重建去掩蓋文物本身的藝術(shù)價(jià)值，但通過技術(shù)手段可以讓珍貴文物穿越時(shí)空，甚至直抵人心?！贝迬r說。

當(dāng)科技之光點(diǎn)亮靜默無聲的歷史文物，它們的記憶終將被再次喚醒。通過數(shù)字化技術(shù)的還原，有溫度地娓娓道出自己的故事，這就是科技的力量。它正在讓歷史穿越時(shí)空，讓距離縮短，讓人類家園成為一個(gè)共同體。