實景三維重構技術的研究與設計

摘 要：針對元宇宙、數字孿生領域存在的算力限制、VR終端成熟度不足和內容構建高成本的三大痛點，本項目提出了一種實景三維重構技術，該技術的核心在于融合了國內最長探測距離的小型隔爆式激光雷達、手持式激光三維掃描儀以及自主開發的高精度建圖軟件。通過激光雷達與視覺RGB的數據融合，可以實現在數十秒內對1 000 m3的空間進行快速掃描，并獲取三維點云信息。同時對數據進行了輕量化、三角化平面擬合等處理，從而使得數據掃描與處理的速度更快、實景三維重建的效率更高。

關鍵詞：三維重構；激光雷達；數字孿生；元宇宙

1 作品介紹

為了助力礦區惡劣環境測繪和保障采空區安全，從應用場景出發，融合隔爆式激光雷達、手持式激光三維掃描儀和自主開發的高精度建圖軟件，提出了一種實景三維重構技術。

ZW-LiDAR-16防爆激光雷達是國內首款最長探測距離的隔爆式小型激光雷達，主要面向油氣站和化工廠等Ⅱ類防爆場景中的無人巡檢監測、機器人環境感知和無人機測繪等領域。防爆類別為IIC類，IIC類為Ⅱ類防爆電氣設備中的最高等級，適用于包括丙烷、乙烯、氫氣等在內的爆炸性氣體環境。

團隊開發了高精度建圖軟件，包括以下五個功能：（1）讀取ROS包，展示bag文件信息；（2）根據錄制的ROS包建立點云圖，進行Rviz輸出；（3）建圖過程可視化，可即時保存點云圖、查看地圖及軌跡信息；（4）根據建圖場景修改建圖參數；（5）激光雷達和IMU標定。

在元宇宙賽道中，開發者都致力于為用戶提供沉浸式的3D環境，而本項目則在技術層面有效助力元宇宙的基礎設施建設。我們所提供的傳感器掃描設備與建圖服務均可應用在云旅游、大型游戲和文物保護等場景的構建，為其提供高精度、輕量化和高性價比的三維重構設備與云服務。

本項目基于已經開發成熟的隔爆式激光雷達探測技術和點云擬合重構技術，能很好地完成地下空間的三維測繪及機器人定位測量工作。激光雷達的隔爆技術和探測技術作為本項目的基礎，當前研究已經非常成熟。本項目的核心在于如何將這些技術與點云擬合技術相結合并應用于地下環境的測繪和在地下工作的機器人的定位上。

2 技術原理

當前市場上擁有防爆能力的雷達稀少，而且相當一部分產品不重視探測能力，導致市面上的防爆激光雷達探測距離不足20 m，點云精度和穩定性也難以滿足實際使用要求。而ZW-LiDAR-16防爆激光雷達作為國內首款最長探測距離的隔爆式小型激光雷達，采用了纖維增韌特種材料防爆激光雷達結構，并利用CAE迭代計算對結構參數優化了數百萬次，極大地降低了結構尺寸。該雷達已取得Ⅱ類防爆認證，以及由國家低壓防爆電器質量監督檢驗中心頒發的“防爆電氣設備防爆合格證”，產品適用于包括丙烷、乙烯、氫氣等在內的各種爆炸性氣體環境。防爆激光雷達產品如圖1所示。

本項目開發了用于實現高精度三維建圖的軟件。軟件基于激光雷達、IMU和GPS多種傳感器的因子圖優化方案，并在幀圖匹配中使用幀-局部地圖取代幀-全局地圖，從而加速優化過程，實現實時定位建圖。傳感器的融合使得該方法即使在快速運動和旋轉下也能精確實現定位與建圖。建圖測試結果如圖2所示。

為面向更大的用戶群體，完善了軟件在人機交互方面的不足，根據用戶需求添加了多種功能：（1）可選激光雷達線數：目前暫可選16線或32線；（2）可選所用傳感器：可以選擇利用單一激光雷達或采用多傳感器融合方式進行建圖，并且建圖參數可根據用戶建圖的實際場景進行修改；（3）本軟件添加了標定模塊：用戶可根據自己搭建的實際場景進行激光雷達、IMU的標定；（4）建圖過程可視化：可保存并查看已建地圖、運動軌跡。軟件使用界面和建圖結果如圖3所示。

針對元宇宙發展中算力限制、VR終端的成熟度限制、內容構建的高成本的市場痛點，本項目通過激光雷達+視覺RGB的數據融合方案，實現在數十秒內對1 000 m3的空間進行快速掃描并獲取三維點云信息，將獲取的RGB信息附著于三維點云信息上，對點云數據進行三角化平面擬合（激光雷達每秒生成30～60萬個數據點，將會形成上千萬個三角化平面），并通過語義分割、特征提取等方式進行輕量化處理。較之于其他設備，本項目的輕量化方法可以實現更快速、更高效的掃描與處理數據，且不需要高算力的設備，從而擺脫元宇宙發展的算力限制與內容構建的高成本困擾。

3 創新點及市場前景

傳統的激光雷達不能兼顧隔爆性能和探測性能，而本項目中的隔爆技術已經突破了這個難點。傳統的點云重建可能會不光滑或空洞比較多，本項目對此加以改進，使得重建表面更加光滑，并且能有效地與雷達探測技術相結合，完成地下空間的測繪及機器人定位工作。通過對標定板進行點云重建，擬合平面，從而測出掘進機或礦井機器人的位置及姿態，保證高精度地反饋其狀態，為掘進機或其他井下機器人的無人化作業及智慧礦山建設奠定基礎。本項目的研究成果除了可以直接應用于礦井巷道的測繪問題，還能應用于其他場合的測繪、測量作業中，如建筑測量、管道測量、暗涵病灶排查測量、倉儲體積測量等。

隨著“十四五”規劃的提出，實景三維技術順勢而“升”，國家數字化轉型、基礎測繪轉型、自然資源管理現代化建設等規劃進程的推進加快了實景三維技術變革的步伐。同時，隨著VR技術的推廣與元宇宙等數字孿生技術的落地，線下實體模型與線上虛擬模型的交互將愈加頻繁，通過傳感器等技術融合實現的實景三維重構技術將是建設元宇宙的重要支撐。三維重構技術是利用計算機表達客觀世界的關鍵技術，涉及計算機圖像處理、計算機圖形學、計算機視覺、計算機輔助設計等。空間三維實景建模技術能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取模型的紋理信息，建立高質量、高精度的三維模型。三維測繪具有全方位實景展示和實時測量的特點，可應用于城鎮規則改造、水利水電、復雜地形測繪、土方計算及輔助設計。2020年全球三維重構技術市場規模達到了2.96億美元，預計2027年將達到8.41億美元。

2020年八部委聯合下發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》后，各主要采煤省份積極響應號召并出臺相關政策，智慧礦山建設正在如火如荼地進行。礦山企業亟需通過礦山信息化、智慧化建設應對日趨激烈的市場競爭壓力。煤炭行業作為傳統能源行業，為實現安全生產、管理效率提升的目標，也亟需與數字化、智能化相結合。在此背景下，三維測繪與重構將成為熱點研究領域，實景三維重構技術具有廣闊的市場前景。