四維時代的微米級三維數字化掃描技術

鄭茂典

如今，你只需準備一臺輕便的手機或者相機設備，即可完成捕捉空間的三維信息，輕松把現實世界的任何一個角落，搬進三維虛擬世界。從精神文化家園，到智慧城市建設，僅需掃描城市街景、購物廣場、博物館、歷史遺跡……這些場景將以“數字萬物”的方式得以展現。

四維時代是青年科學家、國家萬人計劃專家、國務院參事室網絡安全和信息化專家崔巖聯合中國科學院、德國和歐美其他國家多所知名大學的碩博團隊搭建的基于人工智能三維數字化技術的理論研究與成果應用平臺。其中，四維時代研發的微米級三維數字化精細掃描技術，是目前全球首創的可達微米級精度掃描技術。

2017年，四維時代與德國人工智能研究中心（DFKI）在中德兩國總理見證下正式簽訂《中德人工智能研究院項目》，并成立中德人工智能研究院。基于雄厚的技術背景，四維時代建立了國內首家3D數字化重建技術中心，解決方案及產品服務于故宮博物院、世博會中國館、港珠澳大橋、德國陶瓷博物館等100余項國內外重大工程項目，涵蓋數字文博、數字城市和數字工業等領域，四維時代正在用先進的人工智能三維數字化技術，為中國早日實現“數字萬物”奮斗。

自主攻關路徑? 幫助行業破局

長期以來，國內90%以上的三維模型的采集和數據處理都依賴于國外進口。由于實景三維數據精確度高、真實性強，在國家未來的城市治理中將發揮越來越重要的作用。特別自然資源部發布《關于全面推進實景三維中國建設》通知后，實景三維軟硬件的國產化、自主創新和安全可控備受關注。對此，四維時代以自身技術優勢，攻關研發出了全國產化的實景三維空間采集設備——四維深時。四維深時可對空間進行高效快速虛擬重建，顯著提升了建（構）筑物結構、建筑室內、道路設施、地下空間等部件的采集效率及數據處理能力。

此外，四維深時還可實現室內外數據一體化建模，擁有“數據采集、數據處理及成果應用發布”完整的閉環工作流程，可輸出高精度實景三維模型，綜合輸出的圖像質量高達16K，畫面支持4倍放大，不僅能夠實現場景輕量化瀏覽，還支持物聯感知數據實時接入，通過可視化技術賦能行業解決方案。

“當然，我們的優勢不僅在精度方面，其采集速度方面也表現出明顯優勢。”崔巖介紹說，四維深時單個點位采集時間只需30秒，將行業的采集速度提升到一倍以上。過往行業內平均1500平方米的空間可能需要長達7個小時才能完全捕獲。對于同樣的空間，我們僅需3小時就能完成捕捉，給行業帶來驚人效益。

操作上，四維深時的整個機身只有一個操作按鍵，一鍵開機即可掃描。使用者只需將設備放置于固定的點位，設備自動旋轉一圈即可完成單點位拍攝。這意味著在不損失點云質量的情況下，能夠降低工作執行成本，減少人力資源投入。

同時，基于其強大的空間數字孿生能力，數據采集后可大幅減少測量工程師、建模工程師、制圖工程師、建設方、業主方監理方等反復前往現場確認信息的情況，極大降低了溝通與時間成本，當完成點云采集后，數據將上傳云端。編輯系統對點云數據開展云計算重構空間，計算結果通過后臺編輯平臺可實現數據集校準、熱點互動、地理注冊。支持無縫轉換到AutoCAD等專業軟件，輕松應對海量點云數據，通過網絡把數據進行發布共享，隨時隨地可在PC網頁端、移動端中查看點云圖像。為激光掃描專業人員和工程師提供了一個端到端的現實捕捉解決方案。

助力實景三維? 為行業賦能

結合實景三維中國、新型基礎測繪、BIM、CIM、數字孿生等諸多領域新發展新需求，四維時代以前所未有的強大功能賦能行業轉型升級，拓寬了三維激光掃描應用場景，從建筑BIM、消防刑偵到文旅文博、數字博物館，四維時代的技術成果已賦能諸多行業。

在“碳達峰”“碳中和”目標指引下，數字化轉型已成為能源行業的迫切需求，面對線路管路錯綜復雜，能源設備門類多樣、結構各異等常規建模難題，以燃氣系數字化轉型為例，四維時代自主研發的四維深時設備基于其高精度、高效率、低成本的數據采集優勢，滿足不同場景的快速采集，所見即所得，一次采集數據可多次復用，滿足燃氣領域的數字化需求，助力燃氣領域數字化轉型，筑牢安全底線。

采用四維深時對各類場站、室外架空管網、入戶管線等這3類燃氣管道進行實景三維數據采集，輸出的實景三維模型與三維點云模型可為無人值守場站提供數字孿生底座;為維檢部門提供精確的管網數據及信息化平臺數據資料;對入戶管理進行空間采集，可以杜絕用戶違規改建室內燃氣管線，從而保證燃氣的安全使用。

以文物保護、文化傳播為目的測繪要求準確地反映歷史建筑的現狀，包括殘損、構件錯置、改動、變形等情況。在文物保護的應用中，四維深時則采用高精度逆向建模及重構技術，快速獲取大型實體或實景目標的三維立體信息，通過獨有算法重構其3D數據模型，再現客觀事務實時、動態、真實特性。

以國內著名龍門石窟盧舍那大佛為例，盧舍那大佛是龍門石窟中藝術水平最高、整體設計最嚴密的一座造像。四維時代通過運用全國產自主研發的四維深時設備，掃描精度達到1cm，建模范圍能達到260m，可以真實直觀、高精度獲取大佛的三維模型和點云信息。只需輕輕一按就可以捕獲整個空間的高精度數據，大大降低了采集時間，讓脆弱的文化遺產得到最大程度保護。

四維時代先后與故宮博物院、首都博物館、河南博物院等博物館合作，已累積服務超過超過100家博物館及文保單位。

我國已從“中國制造”逐步發展成為“中國智造”，四維時代作為“中國智造”的“出海項目”，參與了德國、法國、印度、巴基斯坦等國家的數字、虛擬博物館和藝術館的建設。“我們不能用技術重建去掩蓋文物本身的藝術價值，但通過技術手段可以讓珍貴文物穿越時空，甚至直抵人心。”崔巖說。

當科技之光點亮靜默無聲的歷史文物，它們的記憶終將被再次喚醒。通過數字化技術的還原，有溫度地娓娓道出自己的故事，這就是科技的力量。它正在讓歷史穿越時空，讓距離縮短，讓人類家園成為一個共同體。