海軍裝備研究院 蔣定定 王長(zhǎng)力 王玉菊

三維激光掃描與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

海軍裝備研究院 蔣定定 王長(zhǎng)力 王玉菊

虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的交叉學(xué)科。其在實(shí)際操作中的瓶頸問(wèn)題本文通過(guò)引入三維激光掃描技術(shù)圓滿(mǎn)的得到了解決。

三維激光掃描；虛擬現(xiàn)實(shí)；技術(shù)；發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)有很多種定義，一種比較有概括性的定義是：虛擬現(xiàn)實(shí)是一種非常強(qiáng)大的高端人機(jī)接口，包括通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)等多種感覺(jué)通道的實(shí)時(shí)模擬和實(shí)時(shí)交互。虛擬現(xiàn)實(shí)有三個(gè)關(guān)鍵特征，包括：實(shí)時(shí)的交互性(Interaction)，實(shí)時(shí)指計(jì)算機(jī)能探測(cè)到用戶(hù)的輸入并同時(shí)修改虛擬世界；交互性有助于產(chǎn)生沉浸感(Immersion)，即讓用戶(hù)感覺(jué)到置身于屏幕所顯示的情節(jié)中；要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性和沉浸感，以及要在實(shí)際應(yīng)用中更好地解決問(wèn)題，在很大程度上取決于研究者和設(shè)計(jì)者的想象力(Imagination)。因此，交互性、沉浸感和想象力夠成了虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征，也就是“3I”特性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在發(fā)展的過(guò)程中，還有一些障礙，其中一大障礙來(lái)源于繁瑣的三維建模。

三維激光掃描技術(shù)又被稱(chēng)為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì).三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。由于其具有快速性，不接觸性，穿透性，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動(dòng)化等特性，其應(yīng)用推廣很有可能會(huì)像GPS一樣引起測(cè)量技術(shù)的又一次革命。

1.應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不同

傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的視景生成辦法比較簡(jiǎn)單，如圖1所示。

圖1流程僅解決了視景定性分析及模擬過(guò)程，但足以在可視化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的功能仿真，至于仿真結(jié)果的可逆行工作則受到局限，因?yàn)槿鄙賹?duì)真實(shí)現(xiàn)實(shí)的精確測(cè)繪及全面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此很難解決視景仿真的精確定量分析、逆向還原及用于定量分析真實(shí)目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性，說(shuō)的更確切點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)真正解決了面向目標(biāo)的三維可視化重建及逆向工程的雙性職能，這必將為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用開(kāi)辟全新的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)，也是對(duì)傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)瓶頸的突破及擴(kuò)展。具體流程如圖2所示。

2.三維激光掃描技術(shù)將拓展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)涵

從應(yīng)用角度考慮，由于采用了三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的完美結(jié)合，進(jìn)而使正向工程更加精確及數(shù)據(jù)可操作化，同時(shí)也在逆向工程及快速還原應(yīng)用中增加了革命性的跨越。

三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)是通過(guò)激光脈沖發(fā)射到真實(shí)視景中，經(jīng)過(guò)激光發(fā)射及逐點(diǎn)測(cè)繪，將對(duì)象坐標(biāo)系統(tǒng)及物體的結(jié)構(gòu)形態(tài)直接生成到電腦中，然后經(jīng)過(guò)點(diǎn)云處理及三維實(shí)體建模，最終重建出真實(shí)視景世界，它的技術(shù)特點(diǎn)是：所有采集的真實(shí)世界都是由精確數(shù)據(jù)做保證的，同時(shí)又可以結(jié)合圖形圖象技術(shù)再現(xiàn)實(shí)景。

圖1 傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的視景生成辦法

圖2 三維激光掃描技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

圖3 三維激光掃描技術(shù)重建的模型及視景環(huán)境

圖3是采用三維激光掃描技術(shù)重建的模型及視景環(huán)境，他們都是從相應(yīng)的VR用例資料中截取的，從圖中我們看不出與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的區(qū)別，因?yàn)樗麄兌季哂刑摂M現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的沉浸感、人機(jī)交互操作能力、過(guò)程仿真能力等，但由于采集實(shí)景的技術(shù)及三維重建的手段不同，進(jìn)而應(yīng)用深度及廣度具有很大區(qū)別。

3.由三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)重建的虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)

由三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)重建的虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容都是基于精確數(shù)據(jù)做支撐的，它除了具備傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的所有功能及要素外，其本質(zhì)區(qū)別還在于：

——所有虛擬實(shí)體或?qū)嵕澳Ｐ投伎梢赃M(jìn)行各種的測(cè)繪、分析、計(jì)量等，而傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是很難做到的。

——所有視景內(nèi)容都是真實(shí)世界內(nèi)容的高精度復(fù)制，任何計(jì)量數(shù)據(jù)或測(cè)繪數(shù)據(jù)都可以達(dá)到從0.005mm到1.5mm的精度值。

——所有虛擬實(shí)體及實(shí)景都可以直接應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)分析、模擬、逆向工程、快速還原、立體編輯、二維制圖還原等。

——所有虛擬實(shí)體及實(shí)景都可以直接進(jìn)行對(duì)真實(shí)物體的復(fù)制、校驗(yàn)、修復(fù)、檢測(cè)、加工、測(cè)試、仿真工程，并且直接被目前國(guó)際流行的各種應(yīng)用軟件所調(diào)用，如：有限元分析、流體力學(xué)分析、CAD、三維設(shè)計(jì)、模具加工、工藝檢測(cè)、設(shè)備維護(hù)、產(chǎn)品翻新、仿制仿研、計(jì)量測(cè)繪、形變分析等等。

4.三維激光掃描技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用前景

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)的成果來(lái)加速、高效、低成本、高質(zhì)量、更精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)任務(wù)，這是目前國(guó)際上虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要特征。如果說(shuō)傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還僅僅是初期信息工具描述現(xiàn)實(shí)活動(dòng)的新生事物，那么三維激光掃描技術(shù)的引入將使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)變得更精準(zhǔn)，更貼近人們的具體期望。

現(xiàn)今人們更關(guān)注的是如何改進(jìn)業(yè)務(wù)流程，并持續(xù)地構(gòu)建富有創(chuàng)新性的產(chǎn)品及概念，提高效益及數(shù)據(jù)整合手段，加快產(chǎn)品進(jìn)步、提升質(zhì)量及改進(jìn)改造的時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)這些，必須最大限度地使用研發(fā)及制造領(lǐng)域的活力之源，即：數(shù)字化及獲取數(shù)據(jù)的手段。以便讓這些數(shù)據(jù)在企業(yè)中處于最佳的使用效率，以實(shí)現(xiàn)工作成效的最大化。

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