在這個潑水成冰的時節(jié)，滬敖的技術(shù)小哥哥們?nèi)匀辉谕饷嫘量嘹s項(xiàng)目，由于保密時效的原因，本期無法和大家分享我們的最新案例，因此，本期我們就來談?wù)劷趯W(xué)到的心得體會吧。

從“數(shù)字孿生”看三維掃描技術(shù)應(yīng)用

在科幻電影《普羅米修斯》中，一個紅色的激光球飛行一圈就將整個山洞環(huán)境的3D場景投射到桌面上，進(jìn)入山洞的人可以借此判斷前行的方向；

在《鋼鐵俠》里也有一個十分有意思的片段，托尼·史塔克在設(shè)計(jì)、改進(jìn)和修理戰(zhàn)衣的時候，并不是在圖紙或?qū)嵨锷线M(jìn)行操作，而是通過一個虛擬的影像映射來實(shí)現(xiàn)，整個過程中，一個可視智能化的數(shù)字設(shè)計(jì)場景清晰地呈現(xiàn)在面前；

成龍主演的《十二生肖》里面也有類似的鏡頭，通過“手套”掃描復(fù)刻十二生肖銅像。

這些影視片段，或許就是未來科學(xué)的發(fā)展方向，也是三維數(shù)字“理想”的應(yīng)用方向。人類的科技不斷進(jìn)步，在不斷實(shí)踐中，也出現(xiàn)了一個特定的概念，即數(shù)字孿生。

什么是數(shù)字孿生？

據(jù)百度百科介紹，數(shù)字孿生（Digital Twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。“數(shù)字孿生”概念的出現(xiàn)，很大程度上為人類的未來想象提供了一條愈發(fā)清晰的探索之路。

如何精確復(fù)刻現(xiàn)實(shí)

三維掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為現(xiàn)實(shí)與虛擬搭建了一座橋梁，通過光學(xué)、電子等技術(shù)的結(jié)合獲取物體的三維表面信息，將所有光源可視信息1：1地“搬”入計(jì)算機(jī)。

三維激光掃描技可以高速度、高精度的獲取海量被測物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)被測物的三維建模。相比于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量的方式（獲取單點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)），三維激光掃描可自動、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物體表面的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)測量到面測量的跨越。于此同時，三維掃描獲取的信息量也從點(diǎn)的空間位置信息擴(kuò)展到了紋理信息和色彩信息，因此，三維激光掃描技術(shù)以其戶外工作效率高、還原度高、不接觸本體等特性被廣泛使用。

滬敖工作現(xiàn)場

（使用Trimble地面三維激光掃描儀）

滬敖工作現(xiàn)場

（使用Faro地面三維激光掃描儀）

這種速度快，非接觸，高精度，安全性系數(shù)高的數(shù)據(jù)捕獲方式將現(xiàn)實(shí)場景用數(shù)以億級的“點(diǎn)”記錄下來，形成“三維點(diǎn)云模型”。

滬敖操作流程如下圖所示

現(xiàn)場勘查：明確項(xiàng)目環(huán)境、項(xiàng)目目的，了解作業(yè)現(xiàn)場情況，為項(xiàng)目方案的制定及工作量評估收集資料。

三維掃描：現(xiàn)場采集包括設(shè)備架設(shè)，站點(diǎn)轉(zhuǎn)換，參數(shù)設(shè)置等操作。

上圖點(diǎn)云數(shù)據(jù)為其他項(xiàng)目數(shù)據(jù)，僅做示意用途

數(shù)據(jù)拼接：將多個獨(dú)立掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到單個坐標(biāo)系內(nèi)。站點(diǎn)之間通過重疊區(qū)域或公共點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)拼接成整體。

上圖為其他項(xiàng)目數(shù)據(jù)，僅做示意用途

數(shù)據(jù)去噪: 三維掃描是進(jìn)行了每秒數(shù)百萬次測量的結(jié)果，每次測量產(chǎn)生一個獨(dú)立的點(diǎn)。

掃描儀的激光點(diǎn)并不是無窮小，而是具有一定的直徑。因此，激光點(diǎn)可能有極小部分落在支撐物（例如粉塵）上，另一部分落在掃描對象表面上，此時掃描儀會接收到兩個相隔較遠(yuǎn)的不同點(diǎn)的反射激光信號，從而產(chǎn)生噪點(diǎn)。通過使用點(diǎn)云處理軟件過濾器可更正選中的掃描點(diǎn)或從掃描中刪除該點(diǎn)，也可以人為判斷噪點(diǎn)，進(jìn)行選中刪除。

現(xiàn)場拍攝：現(xiàn)場拍攝建筑、招牌等對象高清照片，獲取真實(shí)色彩信息，以便后期通過貼圖將色彩信息賦予白模，使模型更加逼真。

模型建立：三維點(diǎn)云模型具備建模所需的所有尺寸信息及相對空間位置。點(diǎn)云模型精度高，數(shù)據(jù)格式多樣化，是“逆向”建立目標(biāo)模型的最佳基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

貼圖：技術(shù)人員在貼圖前，先將之前實(shí)地拍照所得的照片進(jìn)行處理，獲得各種貼圖的素材，之后將照片（或紋理材質(zhì)）附加到模型中。

上圖僅做示意用途

數(shù)字孿生是一種實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型映射的關(guān)鍵技術(shù), 它通過利用布置在系統(tǒng)各部分的傳感器, 對物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與建模, 形成多學(xué)科、多物理量、多時間尺度、多概率的仿真過程, 將物理系統(tǒng)在不同真實(shí)場景中的全生命周期過程反映出來,  數(shù)字孿生可以通過集成多維物理實(shí)體的數(shù)據(jù), 輔以數(shù)據(jù)分析和仿真模擬， 近乎實(shí)時地呈現(xiàn)物理實(shí)體的實(shí)際情況, 并通過虛實(shí)交互接口對物理實(shí)體進(jìn)行控制。

簡單的說來，數(shù)字孿生主要由三部分組成:

1)物理空間的物理實(shí)體;

2)虛擬空間的虛擬實(shí)體;

3)虛實(shí)之間的連接數(shù)據(jù)和信息.

建模是數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)和支柱，建模的方式有傳統(tǒng)測繪建模 、模型引用和三維掃描建模法等幾種，傳統(tǒng)測繪建模是以已有二維設(shè)計(jì)圖資料作為建模依據(jù) ，采用手工的方式， 在建模軟件里繪制出三維裝置模型，再與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行比對、核查，對模型進(jìn)行完善和渲染的建模方法。 缺點(diǎn)是工作量大、周期長，對建模人員技術(shù)要求高。

模型引用是將工程設(shè)計(jì)中已建立的三維模型通過模型轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入系統(tǒng)的建模方法。采用這種方法的前提是能夠獲得設(shè)計(jì)方的三維數(shù)字文件，但是這類文件，而且由于現(xiàn)場施工和設(shè)計(jì)圖紙通常會有一定的出人，模型導(dǎo)人后需要進(jìn)行勘測修正。

三維激光掃描建模法采用激光掃描儀對實(shí)體進(jìn)行三維掃描，形成與實(shí)物裝置完全一致的點(diǎn)云圖（或三角面片），再在輔助軟件的幫助下由人工依托點(diǎn)云進(jìn)行建模的方法，可以快速、便捷、準(zhǔn)確的在數(shù)字空間對物理實(shí)物建立3D模型，保證了孿生模型具有高保真、高可靠、高精度的特征，對于具有高精度應(yīng)用需求的場景尤為適用。

目前滬敖在數(shù)字化設(shè)施、工程、工業(yè)、文化遺產(chǎn)等領(lǐng)域的三維掃描、三維建模擁有有了完善的解決方案，期待能為您服務(wù)。

滬敖3D是一家致力于三維數(shù)字化行業(yè)解決方案的技術(shù)型企業(yè)，擁有豐富的三維項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，公司以行業(yè)應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，為客戶提供三維數(shù)字化采集、三維數(shù)據(jù)處理、三維數(shù)據(jù)管理等一系列應(yīng)用服務(wù)。

滬敖3D擁有結(jié)構(gòu)光拍照式三維掃描儀、手持三維掃描儀（大小空間）、地面三維激光掃描儀、無人機(jī)傾斜攝影測量、3D打印等多種技術(shù)手段，從幾厘米到幾百米的物體或三維空間，從幾個微米到幾個厘米的精度，滬敖均可提供涵蓋軟硬件產(chǎn)品和項(xiàng)目服務(wù)的完整解決方案。

滬敖3D目前主要服務(wù)于制造業(yè)（汽車、航空航天、船舶、模具、鑄造以及各種機(jī)械）、建筑業(yè)（建筑設(shè)計(jì)、施工、裝修等）、文化遺產(chǎn)（博物館、古建筑、考古等）、數(shù)字化工廠、警用公共安全、影視制作、教育等行業(yè)。提供質(zhì)量檢測、三維建模、逆向工程、數(shù)字存檔、GD/T分析、有限元分析、虛擬安裝、干涉分析、工程測繪、形變監(jiān)測、3D打印等技術(shù)方案。