从“数字孪生”看三维扫描技术应用【上海沪敖3D】

《写在前面》

在这个泼水成冰的时节，沪敖的技术小哥哥们仍然在外面辛苦赶项目，由于保密时效的原因，本期无法和大家分享我们的ZX案例，因此，本期我们就来谈谈近期学到的心得体会吧。

从“数字孪生”看三维扫描技术应用

在科幻电影《普罗米修斯》中，一个红色的激光球飞行一圈就将整个山洞环境的3D场景投射到桌面上，进入山洞的人可以借此判断前行的方向；

在《钢铁侠》里也有一个十分有意思的片段，托尼·史塔克在设计、改进和修理战衣的时候，并不是在图纸或实物上进行操作，而是通过一个虚拟的影像映射来实现，整个过程中，一个可视智能化的数字设计场景清晰地呈现在面前；

成龙主演的《十二生肖》里面也有类似的镜头，通过“手套”扫描复刻十二生肖铜像。

这些影视片段，或许就是未来科学的发展方向，也是三维数字“理想”的应用方向。人类的科技不断进步，在不断实践中，也出现了一个特定的概念，即数字孪生。

什么是数字孪生？

据百度百科介绍，数字孪生（Digital Twin）是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。“数字孪生”概念的出现，很大程度上为人类的未来想象提供了一条愈发清晰的探索之路。

如何精确复刻现实

三维扫描技术的出现，为现实与虚拟搭建了一座桥梁，通过光学、电子等技术的结合获取物体的三维表面信息，将所有光源可视信息1：1地“搬”入计算机。

三维激光扫描技可以高速度、高精度的获取海量被测物体的点云数据，实现被测物的三维建模。相比于传统的单点测量的方式（获取单点的三维空间坐标），三维激光扫描可自动、连续、快速地获取目标物体表面的密集点云数据，实现了从点测量到面测量的跨越。于此同时，三维扫描获取的信息量也从点的空间位置信息扩展到了纹理信息和色彩信息，因此，三维激光扫描技术以其户外工作效率高、还原度高、不接触本体等特性被广泛使用。

沪敖工作现场（使用TrimbleTX地面三维激光扫描仪）

沪敖工作现场

这种速度快，非接触，高精度，安全性系数高的数据捕获方式将现实场景用数以亿级的“点”记录下来，形成“三维点云模型”。

沪敖操作流程如下图所示

现场勘查：明确项目环境、项目目的，了解作业现场情况，为项目方案的制定及工作量评估收集资料。

三维扫描：现场采集包括设备架设，站点转换，参数设置等操作。

上图点云数据为其他项目数据，仅做示意用途

数据拼接：将多个独立扫描数据统一到单个坐标系内。站点之间通过重叠区域或公共点将所有数据拼接成整体。

上图为其他项目数据，仅做示意用途

数据去噪: 三维扫描是进行了每秒数百万次测量的结果，每次测量产生一个独立的点。

扫描仪的激光点并不是无穷小，而是具有一定的直径。因此，激光点可能有极小部分落在支撑物（例如粉尘）上，另一部分落在扫描对象表面上，此时扫描仪会接收到两个相隔较远的不同点的反射激光信号，从而产生噪点。通过使用点云处理软件过滤器可更正选中的扫描点或从扫描中删除该点，也可以人为判断噪点，进行选中删除。

现场拍摄：现场拍摄建筑、招牌等对象高清照片，获取真实色彩信息，以便后期通过贴图将色彩信息赋予白模，使模型更加逼真。

模型建立：三维点云模型具备建模所需的所有尺寸信息及相对空间位置。点云模型精度高，数据格式多样化，是“逆向”建立目标模型的ZJ基础数据。

贴图：技术人员在贴图前，先将之前实地拍照所得的照片进行处理，获得各种贴图的素材，之后将照片（或纹理材质）附加到模型中。

上图仅做示意用途

展望

数字孪生是一种实现物理系统向信息空间数字化模型映射的关键技术, 它通过利用布置在系统各部分的传感器, 对物理实体进行数据分析与建模, 形成多学科、多物理量、多时间尺度、多概率的仿真过程, 将物理系统在不同真实场景中的全生命周期过程反映出来, 数字孪生可以通过集成多维物理实体的数据, 辅以数据分析和仿真模拟， 近乎实时地呈现物理实体的实际情况, 并通过虚实交互接口对物理实体进行控制。

简单的说来，数字孪生主要由三部分组成:

1) 物理空间的物理实体;

2) 虚拟空间的虚拟实体;

3) 虚实之间的连接数据和信息.

建模是数字孪生的技术基础和支柱，建模的方式有传统测绘建模 、模型引用和三维扫描建模法等几种，传统测绘建模是以已有二维设计图资料作为建模依据 ，采用手工的方式， 在建模软件里绘制出三维装置模型，再与现场设备进行比对、核查，对模型进行完善和渲染的建模方法。 缺点是工作量大、周期长，对建模人员技术要求高。

模型引用是将工程设计中已建立的三维模型通过模型转换接口导入系统的建模方法。采用这种方法的前提是能够获得设计方的三维数字文件，但是这类文件，而且由于现场施工和设计图纸通常会有一定的出人，模型导人后需要进行勘测修正。

三维激光扫描建模法采用激光扫描仪对实体进行三维扫描，形成与实物装置完全一致的点云图（或三角面片），再在辅助软件的帮助下由人工依托点云进行建模的方法，可以快速、便捷、准确的在数字空间对物理实物建立3D模型，保证了孪生模型具有高保真、高可靠、高精度的特征，对于具有高精度应用需求的场景尤为适用。

目前沪敖在数字化设施、工程、工业、文化遗产等领域的三维扫描、三维建模拥有有了完善的解决方案，期待能为您服务。

沪敖3D是一家致力于三维数字化行业解决方案的技术型企业，拥有丰富的三维项目经验，公司以行业应用为出发点，为客户提供三维数字化采集、三维数据处理、三维数据管理等一系列应用服务。

沪敖3D拥有结构光拍照式三维扫描仪、手持三维扫描仪（大小空间）、地面三维激光扫描仪、无人机倾斜摄影测量、3D打印等多种技术手段，从几厘米到几百米的物体或三维空间，从几个微米到几个厘米的精度，沪敖均可提供涵盖软硬件产品和项目服务的完整解决方案。

沪敖3D目前主要服务于制造业（汽车、航空航天、船舶、模具、铸造以及各种机械）、建筑业（建筑设计、施工、装修等）、文化遗产（博物馆、古建筑、考古等）、数字化工厂、JY公共安全、影视制作、教育等行业。提供质量检测、三维建模、逆向工程、数字存档、GD/T分析、有限元分析、虚拟安装、干涉分析、工程测绘、形变监测、3D打印等技术方案。