航天領域三維數字化存檔研究與應用實踐

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備的不斷普及和升級，在制造行業中利用數字圖像等多媒體形式記錄產品的實施狀態已經變得十分普及。近年來，航天領域對于多媒體記錄的要求越來越高，在航天型號產品研制過程中數字圖像等多媒體文件的數量呈爆發式增長，一個型號僅總裝實施環節產生的數字照片數據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據量給數字影像的采集、存儲、管理、檢索和分發、傳遞等都提出了嚴峻的挑戰。

一、三維數字化技術及發展現狀

因型號產品種類多，設備繁多且各系統工作模式復雜給研制驗證全面性帶來了挑戰，保存和展示航天型號產品內外布局、外形尺寸、裝配關系及各類軟結構信息，反映“真實”的總裝實施狀態很有必要。為了能夠較好地記錄總裝實施狀態，一般采取在總裝過程中進行拍照記錄的方式，通過拍照實現對航天器狀態的形象化記錄，保證研制過程的可追溯性。但是航天型號產品規模龐大，傳統的拍照方式不僅工作量巨大，而且獲得的照片為“離散式”的，后續查詢瀏覽不便，難以保證實施狀態記錄的覆蓋性，無法滿足需求，迫切需要改進。在型號研制過程中，因設備眾多，技術狀態復雜，需要多次進行各類測試，為保證型號產品狀態，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品內部，需要操作或檢驗人員轉述，給狀態把控帶來一定困難，直觀地將型號產品實施狀態“真實”反映出來成為有待解決的問題。

在圖像數據的管理以及檢索、瀏覽支持方面，國內絕大多數單位采取的是將影像數據存儲在個人電腦中，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據管理系統，通過基于網頁的結構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，將圖片與產品掛接，支持用戶圖形化檢索，這種模式相比于國內的手工模式，照片檢索的效率和用戶友好性都明顯提升。但是，由于源數據的不連續性，這種方式仍然不能解決影像信息的離散和完整性問題。

全景是一種虛擬現實技術，這項技術使用相機環繞進行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網上進行瀏覽或展示。全景可分為虛擬全景和現實全景2種，虛擬全景是利用3DS MAX或者Maya等軟件，制作出模型現實的場景，而現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虛擬環境的虛擬現實技術，也稱為虛擬現實全景，其優勢如下：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。常見的采集設備包括智能全景云臺、手持全景相機、艙外拍攝系統、全自動拍攝導軌。

1.信息采集基本架構

信息采集方面主要包括智能全景云臺系統、信息采集設備、拍攝控制系統、自動導軌工裝和采集支持裝備5個模塊，通過各模塊的協同采集，形成“高分辨率全景拍攝+單反相機+卡片式數碼相機”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、普通數碼照片、高清視頻在內的總裝過程多維信息數據包，如圖1所示。

圖1 信息采集基本架構

2.采集流程

（1）拍攝環境準備

在航天器合適拍攝的位置放置腳架或導軌，通過低壓無影光源布置環境光，使航天器內部光照均勻柔和。在每站的全景拍攝過程中，不能移動已布置好的腳架或導軌，否則會造成鄰接全景圖像無法拼接。

（2）拍攝系統組裝

將三角架置于拍攝方案設計的拍攝站點，調整好拍攝高度,將單反相機固定在全景云臺上,調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，調整全景云臺至水平狀態，固定好拍攝系統硬件，使硬件系統在拍攝過程中保持穩定，不產生晃動，調整相機為單一視差，如圖2所示。

圖2 采集流程

3.應用領域

近年來，隨著計算機技術在圖形測繪領域的飛速發展，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在文物維護、修復、數字化方面得到延伸和應用。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盡量減少提取、觸摸。目前國內外各大博物館及文保機構均在應用三維數字化技術，積極推進館藏珍貴文物的三維數字化工作，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。基于科普需求，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”的三維數字化數據采集工作。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，采集到的三維數據也作為數字化文物進行了存檔。

4.工業領域應用

在傳統生產過程中零部件的檢測大多數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，對檢測結果有較大影響，在大批量生產過程中不能充分保障檢測質量和產品合格率。為了解決這個行業難題，某汽車企業引入三維數字化在線檢測系統，如圖3所示。該系統可以自動掃描流水線上傳送過來的產品，當有產品進入掃描區時，三維傳感器自動觸發掃描獲得產品邊緣輪廓的三維坐標數據，并將數據實時傳遞給處理單元，通過處理單元的決策控制算法實現在線調整改進，隨后通過以太網向后續工位上的自動噴膠機械手發送按照預設參數修正后的軌跡線以及操作方向，實現產品生產、檢測、改進過程的高效全自動。

圖3 某企業三維掃描在線檢測系統示意圖

二、三維數字化技術在航天型號產品中的應用

1.三維測量

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

研究人員使用手持式掃描儀對發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動機外徑尺寸，測量精度為0.2mm左右。根據測量數據對涂層厚度進行計算再修補后，結構專業通過測厚儀對涂層厚度進行再次測量，以滿足指標要求。快速測得帶涂層發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.數字化存檔

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

研究人員在天津某測試廠房對某航天型號產品進行全景技術掃描，記錄發動機及級間段中的數據插口及線纜走向等重要位置信息，為型號提供三維數字化存檔服務，對后續型號開展發射場質量復查、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，某型號組織在某廠完成發動機渦輪泵零部件掃描工作，后續通過VR與三維數據庫技術的集成，實現了三維數據庫可視化管理及應用；通過VR與實物數據庫技術的集成，實現了數據與實物的可視化信息結合，使實物仿品得到增強現實的表達。

三、未來設想

隨著科技的快速發展，人民生活水平的不斷提高，商業模式的不斷變革，行業競爭也不斷加劇，用戶需求越來越苛刻和個性化，傳統行業迫切需要借助數字化轉型來尋找新的增長機會與發展模式。在航天領域建立一個數字孿生工廠，并利用工業數據總線將實際工廠與其數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字孿生模型掌握實體工廠當前的加工任務、加工設備的運轉狀態、產品的合格率等信息，結合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字引擎的開發技術，為航天科研生產地的檢驗檢測形成完整的技術生態環境。這對于實現資源共享，建立自己的核心技術，根據型號需求進行新產品開發形成深度結合，將已有技術根據型號的需求進行改善、開發、形成市場影響力，對科研生產領域有廣泛的應用前景。

后續，在應用層面，應深化三維數字化技術在質量檢測等領域應用，進一步挖掘應用場景；在技術層面，集三維掃描技術、虛擬全景建模技術、實景全景技術和傾斜攝影逆推建模技術等多維信息數字融合技術的研究和應用，形成多維信息融合三維數字化存檔流程，為武器型號產品開展質量檢測、發射場質量復查、總裝信息追蹤等工作提供有力支撐；在行業層面，制定流程化、數字化掃描作業，并建立三維數字化存檔檔案管理標準。