四維時代的微米級三維數(shù)字化掃描技術(shù)

鄭茂典

如今，你只需準(zhǔn)備一臺輕便的手機或者相機設(shè)備，即可完成捕捉空間的三維信息，輕松把現(xiàn)實世界的任何一個角落，搬進三維虛擬世界。從精神文化家園，到智慧城市建設(shè)，僅需掃描城市街景、購物廣場、博物館、歷史遺跡……這些場景將以“數(shù)字萬物”的方式得以展現(xiàn)。

四維時代是青年科學(xué)家、國家萬人計劃專家、國務(wù)院參事室網(wǎng)絡(luò)安全和信息化專家崔巖聯(lián)合中國科學(xué)院、德國和歐美其他國家多所知名大學(xué)的碩博團隊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。其中，四維時代研發(fā)的微米級三維數(shù)字化精細掃描技術(shù)，是目前全球首創(chuàng)的可達微米級精度掃描技術(shù)。

2017年，四維時代與德國人工智能研究中心（DFKI）在中德兩國總理見證下正式簽訂《中德人工智能研究院項目》，并成立中德人工智能研究院?；谛酆竦募夹g(shù)背景，四維時代建立了國內(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、世博會中國館、港珠澳大橋、德國陶瓷博物館等100余項國內(nèi)外重大工程項目，涵蓋數(shù)字文博、數(shù)字城市和數(shù)字工業(yè)等領(lǐng)域，四維時代正在用先進的人工智能三維數(shù)字化技術(shù)，為中國早日實現(xiàn)“數(shù)字萬物”奮斗。

自主攻關(guān)路徑? 幫助行業(yè)破局

長期以來，國內(nèi)90%以上的三維模型的采集和數(shù)據(jù)處理都依賴于國外進口。由于實景三維數(shù)據(jù)精確度高、真實性強，在國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)于全面推進實景三維中國建設(shè)》通知后，實景三維軟硬件的國產(chǎn)化、自主創(chuàng)新和安全可控備受關(guān)注。對此，四維時代以自身技術(shù)優(yōu)勢，攻關(guān)研發(fā)出了全國產(chǎn)化的實景三維空間采集設(shè)備——四維深時。四維深時可對空間進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，四維深時還可實現(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，可輸出高精度實景三維模型，綜合輸出的圖像質(zhì)量高達16K，畫面支持4倍放大，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)場景輕量化瀏覽，還支持物聯(lián)感知數(shù)據(jù)實時接入，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)勢不僅在精度方面，其采集速度方面也表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢?！贝迬r介紹說，四維深時單個點位采集時間只需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達7個小時才能完全捕獲。對于同樣的空間，我們僅需3小時就能完成捕捉，給行業(yè)帶來驚人效益。

操作上，四維深時的整個機身只有一個操作按鍵，一鍵開機即可掃描。使用者只需將設(shè)備放置于固定的點位，設(shè)備自動旋轉(zhuǎn)一圈即可完成單點位拍攝。這意味著在不損失點云質(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，基于其強大的空間數(shù)字孿生能力，數(shù)據(jù)采集后可大幅減少測量工程師、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)場確認信息的情況，極大降低了溝通與時間成本，當(dāng)完成點云采集后，數(shù)據(jù)將上傳云端。編輯系統(tǒng)對點云數(shù)據(jù)開展云計算重構(gòu)空間，計算結(jié)果通過后臺編輯平臺可實現(xiàn)數(shù)據(jù)集校準(zhǔn)、熱點互動、地理注冊。支持無縫轉(zhuǎn)換到AutoCAD等專業(yè)軟件，輕松應(yīng)對海量點云數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)進行發(fā)布共享，隨時隨地可在PC網(wǎng)頁端、移動端中查看點云圖像。為激光掃描專業(yè)人員和工程師提供了一個端到端的現(xiàn)實捕捉解決方案。

助力實景三維? 為行業(yè)賦能

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

在“碳達峰”“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，面對線路管路錯綜復(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，以燃氣系數(shù)字化轉(zhuǎn)型為例，四維時代自主研發(fā)的四維深時設(shè)備基于其高精度、高效率、低成本的數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢，滿足不同場景的快速采集，所見即所得，一次采集數(shù)據(jù)可多次復(fù)用，滿足燃氣領(lǐng)域的數(shù)字化需求，助力燃氣領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型，筑牢安全底線。

采用四維深時對各類場站、室外架空管網(wǎng)、入戶管線等這3類燃氣管道進行實景三維數(shù)據(jù)采集，輸出的實景三維模型與三維點云模型可為無人值守場站提供數(shù)字孿生底座;為維檢部門提供精確的管網(wǎng)數(shù)據(jù)及信息化平臺數(shù)據(jù)資料;對入戶管理進行空間采集，可以杜絕用戶違規(guī)改建室內(nèi)燃氣管線，從而保證燃氣的安全使用。

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

以國內(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)計最嚴(yán)密的一座造像。四維時代通過運用全國產(chǎn)自主研發(fā)的四維深時設(shè)備，掃描精度達到1cm，建模范圍能達到260m，可以真實直觀、高精度獲取大佛的三維模型和點云信息。只需輕輕一按就可以捕獲整個空間的高精度數(shù)據(jù)，大大降低了采集時間，讓脆弱的文化遺產(chǎn)得到最大程度保護。

四維時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。

我國已從“中國制造”逐步發(fā)展成為“中國智造”，四維時代作為“中國智造”的“出海項目”，參與了德國、法國、印度、巴基斯坦等國家的數(shù)字、虛擬博物館和藝術(shù)館的建設(shè)?！拔覀儾荒苡眉夹g(shù)重建去掩蓋文物本身的藝術(shù)價值，但通過技術(shù)手段可以讓珍貴文物穿越時空，甚至直抵人心?！贝迬r說。

當(dāng)科技之光點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空，讓距離縮短，讓人類家園成為一個共同體。