基于3D掃描的全息處理及三維構圖技術研究

嚴志平

(山海關船舶重工有限責任公司，河北 秦皇島 066206)

1 研究的內容與目標

出于節省成本的考慮，一般用于改裝FPSO的原油船都有比較長的船齡，原船圖紙嚴重缺失，且沒有電子版圖紙；同時部分項目經過修理或者改裝后，與原圖紙的差別較大，所以圖紙狀態難以反映船舶的實際狀況。需要對目標油船的情況進行現場測繪，獲得實際數據。

采用傳統的人工手段進行測繪，不僅工作量大、耗時長，而且數據精度難以保證。同時手工測繪的圖紙資料無法輸入到三維設計軟件中，不利于原船結構系統與改裝部分的接口管理。

三維激光掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現的一項高新技術。它通過高速激光掃描測量，大面積、高分辨率、快速地獲取被測對象表面的三維坐標數據。為建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。由于其具有速度快，不接觸性、穿透性、實時性、動態性、主動性強，高密度，高精度，數字化、自動化程度高等特性，其應用推廣是測量技術的一次革命。

1)研究內容。本文研究內容包括3D激光掃描儀技術原理、產品分類和適用范圍，三維掃描儀產品的選擇，掃描儀的使用方法以及在船舶改裝項目中的應用。

2)研究目標。研究目標為通過3D激光掃描設備對需要改裝成FPSO的原油船進行三維掃描，獲得三維點云數據，通過專用軟件加工處理，構建原船的三維模型，再通過接口技術研究進行轉換，使獲得的三維數據能導入我公司目前使用的設計軟件TRIBON，作為全三維生產設計的背景。

2 研究情況

本文對三維激光掃描儀的工作原理、產品分類進行了論述，重點對三維激光掃描儀的操作方法、逆向建模設計技術以及與現有三維設計軟件的接口技術進行了研究；進行了三維激光掃描測繪技術在船舶改裝項目中的大膽嘗試，改進原有的測量手段，提高測量效率和精度，縮短設計周期和改裝工程周期，增加船廠在船舶改裝市場上的競爭力。

1)三維激光掃描儀的工作原理與分類。常用的掃描儀根據測距方式可劃分為三角式、脈沖式和相位式。由于三角式和相位式測量范圍小(0.5～100 m)，脈沖式測量范圍大(1～6 000 m)，所以用于測繪工作的掃描儀絕大部分為脈沖式。脈沖式三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測量的方法，以點云形式表現目標物體表面的幾何特征。其測距方式是由激光發生器發射出激光脈沖，投射到被測量物體上后，由接收器接受到反射光，參考高精度時鐘記錄下激光脈沖往返時間差。測距儀與被測物之間的距離，即為光速和時間差乘積的一半。光速的精度可以通過準確測量影響大氣折射率的幾個條件(氣溫、氣壓等)來提高，時間的精度可通過一系列的判別技術來提高。在測距的同時，儀器通過內置角度測量系統來測量每一激光束的垂直角和水平角，進而獲得每一個掃描點在掃描儀所定義坐標系內的X、Y、Z坐標值。三維激光掃描儀在記錄激光點三維坐標的同時，也會記錄激光點位置處物體的反射強度值，并稱之為“反射率”。脈沖式三維激光測量原理圖如圖1所示。圖1中α為激光束在坐標系中的水平角，β為激光束在坐標系中的垂直角，S為激光束，P為物體表面在坐標系中的點。

圖1 脈沖式三維激光測量原理圖

2)掃描區域的選擇。本改裝項目的改裝工程主要集中在2個區域，一個是甲板區域，一個是機艙區域。其中，甲板區域內原船的設備和管系基本拆除，甲板線型變化小，對于后續的新加設備、管系布置、電纜布置影響小。機艙區域的原船設備大部分保留，各層甲板都有設備拆除，與設備相關聯的管路系統、連接電纜、底座等也均需要拆除。同時，在各層甲板增加新的設備及相關的底座、管路系統、電氣系統等。機艙內設備數量多，管系及電纜錯綜復雜，船體線型大，結構復雜，在布置新的設備及配套的底座、管系、電纜時，需要了解保留部分及拆除部分的實際布置情況。采用三維激光掃描建模，可以快速獲得原船機艙布置情況，大量減少現場手工測繪的工作量和縮短工作日程，增加測量精度，保證后續新加部分的設計效率和準確度。

本文選擇機艙內二、三甲板改裝工程最多的鍋爐區域，開展三維激光掃描建模工作。

3)三維掃描設備的選擇。由于船舶掃描的特殊性，掃描儀設備的選擇需要滿足如下要求。

(1)掃描儀需要最小50 m的有效掃描距離。

(2)船舶改裝周期緊張，一般會在改裝前，船舶航運靠港期間進行掃描。因此掃描工作需要在短期內完成，掃描儀需要有較高的掃描速度。

(3)掃描獲得的點云數據必須能夠快速進行逆向建模，同時逆向建模的輸出要與現有的TRIBON三維設計軟件接口格式匹配，并且具有良好的識別度和識別效率。

(4)為保證后期生產設計三維建模的精度，要求掃描儀具有良好的掃描精度，每10 m的誤差在±1 mm之內。

(5)掃描區域為封閉空間,環境復雜、空間狹小，且無自然光，需要采用燈具照明。同時，要求掃描儀必須具有良好的便攜性、空間適應性和環境適應性。

4)三維掃描過程。對掃描儀進行相應設置后開始掃描工作，3D掃描儀界面及現場布置見圖2。

圖2 3D掃描儀界面及現場布置

為了確保每個掃描區域都能獲得足夠的點云數據，根據現場的實際環境情況布置了掃描儀和靶點的位置，共計掃描了45站點，每個站點的掃描時間大約為 4 分 20 秒，整個掃描過程大約 5 h。掃描后獲得的點云數據如圖3所示。

圖3 掃描后獲得的點云數據

進行三維掃描時應注意如下事項。①在掃描過程中應避免四周有人員走動，否則會出現很多雜點；②掃描儀下方30°錐角內為死角，掃描時需注意；③掃描儀在使用中需保持水平；④掃描物體時，為保證逆向精度，至少掃描物體3個方向；⑤由于同時受到單個站點視角的約束的影響，單個站點掃描不易形成完整的設施形體點云信息，存在無點云記錄的部分，因此需要增加站點來獲得更多的視角，從而增加新的點云；⑥在增加新的站點時，需要在各站點間設置標靶；⑦要求掃描操作人員具有非常豐富的操作經驗，能夠根據現場的實際情況，因地制宜地選擇合適的站點位置和標靶位置；⑧選擇標靶位置時要確保每個標靶都在掃描儀的視角范圍內；⑨標靶不要固定在有振動的位置，并確保標靶吸附牢固；⑩在移動標靶前，首先要選擇好下一站點，再移動標靶。不要將標靶全部取下，要一個一個地取下，并布置在新的位置上，至少要保證相鄰的2個站點之間有3個重合的標靶。

掃描儀與標靶布置示意圖見圖4。

圖4 掃描儀與標靶布置示意圖

5)點云數據的逆向建模技術。掃描結束后，可以利用SCENE軟件對各站點掃描的點云數據進行拼接，形成一個整體。最后將拼接后的點云數據進行導出、儲存，用于后面的逆向建模工作。

掃描獲得的點云數據是由一個一個的點構成的，如果直接導入TRIBON，則數據量巨大，耗費大量系統資源，以至于無法操作。利用專門的逆向建模軟件可以對掃描的點云數據進行處理加工，將大量的數據點快速轉化為實體的三維模型。

逆向建模工作與船舶設計一一對應，分為結構、舾裝、管系、通風和電氣幾個專業分別進行建模工作。建模時應注意以下內容：①逆向建模時一定要辨別清楚，與現場照片對照使用，確保逆向數據與實際保持一致；②推薦逆向建模人員為實際參與掃描人員。逆向建模后獲得的模型見圖5。

圖5 逆向建模后獲得的模型

6)逆向模型的導出。利用逆向建模的導出功能可以實現模型的輸出，在輸出前應該對輸出的格式與TRIBON 的導入格式進行接口測試研究，以確保模型的快速導入和有效識別。

另外，考慮到逆向建模后的模型在導入TRIBON后不方便進行編輯，因此需要在逆向建模軟件導出前進行切分，模型切分的位置、原則如下：①首先按照結構、舾裝、管系、通風、電氣進行專業切分；②高度上按照各層平臺進行切分；③左右按照左右舷進行切分；④前后按照肋位進行切分；⑤基于導入時間及在TRIBON中加載、操作流暢度方面的要求，切分后單個模型的數據大小應小于10 M；⑥所有逆向建模工作完成后，將模型數據進行導出，以便輸入到TRIBON設計軟件中。

本項目在逆向建模完成后，根據事先確定的導出原則，按照平臺先切分為二平臺、三平臺2部分，然后在每個平臺內再按照專業進行切分，全部模型共切分成10個部分，然后選擇SAT格式進行導出。

利用TRIBON的導入功能，將SAT格式的模型導入到TRIBON中,單個模型的導入時間少于1 min，全部模型的導入時間在10 min之內。導入的模型沒有發生數據丟失的情況，可以滿足生產設計的要求。逆向建模在TRIBON中的效果見圖6。

3 取得的成果及效益

3.1 取得的成果

本文的研究以一艘老舊的VLCC油輪改裝成FPSO為依托工程。改裝時，在機艙鍋爐區域應用了三維激光掃描技術和逆向建模技術，獲得了FPSO改裝項目的點云數據，完成了逆向三維建模的數據模型。

圖6 逆向建模在TRIBON中的效果

通過本次研究，了解了3D激光掃描設備的工作原理，掌握了3D掃描的操作方法和點云數據的逆向建模技術，解決了獲取原船圖紙信息難的問題，實現了從測量到建模，再到設計的無縫連接，為改裝項目的全三維生產設計提供了堅實基礎。

3.2 經濟及社會效益

此項測量、建模技術，大大提高了對原船數據的測繪速度，提高了測繪數據的精度，實現了測量數據的自動建模，縮短了三維建模的時間，相比手工測繪節省了約80%的時間，測量精度提高了10倍以上，解決了改裝項目中工期緊、設計周期短的技術難題。

同時，此項技術的應用減少了人力、物力投入，降低測量人員的勞動強度，保證了人身安全。為船舶行業的改裝設計開創了新的思路，在船舶測繪手段方面進行有益嘗試，促進船舶測繪技術的發展，提高我公司在船舶改裝市場上的競爭力。

4 存在的問題及改進建議

3D掃描技術在FPSO改裝項目中得到了較好的應用，然而在其他類型的船舶改裝項目中還沒有推廣應用。同時，技術人員在掃描操作以及逆向建模工作中的實際經驗較少，需要進一步提高技能和效率。我公司每年有很多改裝項目，建議在加裝壓載水裝置等其他改裝項目中應用此3D掃描技術，鍛煉技術人員隊伍，以提高測繪精度，提升改裝效率。利用三維激光掃描技術的優勢，將其應用到船舶建造過程中的精度控制等方面，促進無余量建造的發展。