航天領(lǐng)域三維數(shù)字化存檔研究與應(yīng)用實踐

季曉菲等/北京航天長征科技信息研究所

隨著圖形圖像獲取設(shè)備的不斷普及和升級，在制造行業(yè)中利用數(shù)字圖像等多媒體形式記錄產(chǎn)品的實施狀態(tài)已經(jīng)變得十分普及。近年來，航天領(lǐng)域?qū)τ诙嗝襟w記錄的要求越來越高，在航天型號產(chǎn)品研制過程中數(shù)字圖像等多媒體文件的數(shù)量呈爆發(fā)式增長，一個型號僅總裝實施環(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、管理、檢索和分發(fā)、傳遞等都提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

一、三維數(shù)字化技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

因型號產(chǎn)品種類多，設(shè)備繁多且各系統(tǒng)工作模式復雜給研制驗證全面性帶來了挑戰(zhàn)，保存和展示航天型號產(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”的總裝實施狀態(tài)很有必要。為了能夠較好地記錄總裝實施狀態(tài)，一般采取在總裝過程中進行拍照記錄的方式，通過拍照實現(xiàn)對航天器狀態(tài)的形象化記錄，保證研制過程的可追溯性。但是航天型號產(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，難以保證實施狀態(tài)記錄的覆蓋性，無法滿足需求，迫切需要改進。在型號研制過程中，因設(shè)備眾多，技術(shù)狀態(tài)復雜，需要多次進行各類測試，為保證型號產(chǎn)品狀態(tài)，大型試驗和專項試驗一般采用封閉式管理，往往測試人員無法進入型號產(chǎn)品內(nèi)部，需要操作或檢驗人員轉(zhuǎn)述，給狀態(tài)把控帶來一定困難，直觀地將型號產(chǎn)品實施狀態(tài)“真實”反映出來成為有待解決的問題。

在圖像數(shù)據(jù)的管理以及檢索、瀏覽支持方面，國內(nèi)絕大多數(shù)單位采取的是將影像數(shù)據(jù)存儲在個人電腦中，盡管給部分型號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。國外單位一般建立了影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過基于網(wǎng)頁的結(jié)構(gòu)化交互式方式支持用戶遠程查詢和瀏覽圖片。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題。

全景是一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，這項技術(shù)使用相機環(huán)繞進行360度拍攝，將拍攝到的照片拼接成一個全方位、全角度的圖像，這些圖像可以在計算機或互聯(lián)網(wǎng)上進行瀏覽或展示。全景可分為虛擬全景和現(xiàn)實全景2種，虛擬全景是利用3DS MAX或者Maya等軟件，制作出模型現(xiàn)實的場景，而現(xiàn)實全景是利用單反相機或者全景相機拍攝的實景照片，由軟件進行特殊拼接生成的真實場景。三維全景是使用全景圖像表現(xiàn)虛擬環(huán)境的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，也稱為虛擬現(xiàn)實全景，其優(yōu)勢如下：一是避免了一般平面效果圖視角單一，不能帶來全方位感受的缺憾；二是互動性強，猶如身臨其境，最真實的感受，這一點也不同于缺少互動性的三維動畫；三是相比基于建模的虛擬全景，效果更加真實，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，可觀看場景的各個方向；五是實景，真實的場景，三維實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景的真實性；六是360度環(huán)視的效果，雖然照片都是平面的，但是通過軟件處理之后得到的360實景，卻能給人以三維立體的空間感覺，使觀者猶如身在其中。常見的采集設(shè)備包括智能全景云臺、手持全景相機、艙外拍攝系統(tǒng)、全自動拍攝導軌。

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系統(tǒng)、信息采集設(shè)備、拍攝控制系統(tǒng)、自動導軌工裝和采集支持裝備5個模塊，通過各模塊的協(xié)同采集，形成“高分辨率全景拍攝+單反相機+卡片式數(shù)碼相機”的組合式信息采集模式，輸出包括高清全景照片、高清寬畫幅照片、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)境準備

在航天器合適拍攝的位置放置腳架或?qū)к?，通過低壓無影光源布置環(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程中，不能移動已布置好的腳架或?qū)к?，否則會造成鄰接全景圖像無法拼接。

（2）拍攝系統(tǒng)組裝

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

圖2 采集流程

3.應(yīng)用領(lǐng)域

近年來，隨著計算機技術(shù)在圖形測繪領(lǐng)域的飛速發(fā)展，三維掃描、傾斜攝影圖形逆推建模、360度全景掃描等先進技術(shù)在文物維護、修復、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，對容易損毀的文物應(yīng)盡量減少提取、觸摸。目前國內(nèi)外各大博物館及文保機構(gòu)均在應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)，積極推進館藏珍貴文物的三維數(shù)字化工作，探索文物保護、研究、展示及合理利用的新路徑、新方案。

“中國印?舞動的北京”是國家一級文物，在恒溫恒濕的條件下收藏于國家檔案館?；诳破招枨?，需要復制一個實物在奧運博物館展示。2019年，研究人員在國家檔案館使用手持式掃描儀完成了“中國印?舞動的北京”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，有點反光，采用光學掃描原理的手持式掃描儀掃描精度沒有達到0.01mm級別，但是具備了復刻條件。三維模型處理完成后使用3D打印機打印模具，成功完成了該珍貴印章的復刻，采集到的三維數(shù)據(jù)也作為數(shù)字化文物進行了存檔。

4.工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

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

圖3 某企業(yè)三維掃描在線檢測系統(tǒng)示意圖

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

1.三維測量

某型號產(chǎn)品裝配后涂裝厚度與實際差別較大，從產(chǎn)品出筒發(fā)射安全性考慮，需要精確測量二級發(fā)動機涂層厚度，對噴涂后發(fā)動機進行外徑測量。傳統(tǒng)測量手段對于測量場地和測量工具的使用要求較高，不便于裝配后的產(chǎn)品實施測量，研究人員提出采用無接觸式掃描技術(shù)進行測量。

研究人員使用手持式掃描儀對發(fā)動機外表面進行軸向掃描，周向位置共取8～10點，重復掃描。隨后在電腦上模擬出發(fā)動機外徑尺寸，測量精度為0.2mm左右。根據(jù)測量數(shù)據(jù)對涂層厚度進行計算再修補后，結(jié)構(gòu)專業(yè)通過測厚儀對涂層厚度進行再次測量，以滿足指標要求?？焖贉y得帶涂層發(fā)動機的外形直徑尺寸，不僅便捷高效，還極大地降低了手工測量誤差。

2.數(shù)字化存檔

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

研究人員在天津某測試廠房對某航天型號產(chǎn)品進行全景技術(shù)掃描，記錄發(fā)動機及級間段中的數(shù)據(jù)插口及線纜走向等重要位置信息，為型號提供三維數(shù)字化存檔服務(wù)，對后續(xù)型號開展發(fā)射場質(zhì)量復查、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)，某型號組織在某廠完成發(fā)動機渦輪泵零部件掃描工作，后續(xù)通過VR與三維數(shù)據(jù)庫技術(shù)的集成，實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)庫可視化管理及應(yīng)用；通過VR與實物數(shù)據(jù)庫技術(shù)的集成，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與實物的可視化信息結(jié)合，使實物仿品得到增強現(xiàn)實的表達。

三、未來設(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)競爭也不斷加劇，用戶需求越來越苛刻和個性化，傳統(tǒng)行業(yè)迫切需要借助數(shù)字化轉(zhuǎn)型來尋找新的增長機會與發(fā)展模式。在航天領(lǐng)域建立一個數(shù)字孿生工廠，并利用工業(yè)數(shù)據(jù)總線將實際工廠與其數(shù)字孿生模型進行連接，工廠的管理者便可以在全世界任何一個地方通過電腦里的工廠數(shù)字孿生模型掌握實體工廠當前的加工任務(wù)、加工設(shè)備的運轉(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)字引擎的開發(fā)技術(shù)，為航天科研生產(chǎn)地的檢驗檢測形成完整的技術(shù)生態(tài)環(huán)境。這對于實現(xiàn)資源共享，建立自己的核心技術(shù)，根據(jù)型號需求進行新產(chǎn)品開發(fā)形成深度結(jié)合，將已有技術(shù)根據(jù)型號的需求進行改善、開發(fā)、形成市場影響力，對科研生產(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)量檢測等領(lǐng)域應(yīng)用，進一步挖掘應(yīng)用場景；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，為武器型號產(chǎn)品開展質(zhì)量檢測、發(fā)射場質(zhì)量復查、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準。