三维激光扫描与虚拟现实技术

海军装备研究院 蒋定定 王长力 王玉菊

三维激光扫描与虚拟现实技术

海军装备研究院 蒋定定 王长力 王玉菊

虚拟现实(VirtualReality，简称VR)是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其在实际操作中的瓶颈问题本文通过引入三维激光扫描技术圆满的得到了解决。

三维激光扫描；虚拟现实；技术；发展

虚拟现实有很多种定义，一种比较有概括性的定义是：虚拟现实是一种非常强大的高端人机接口，包括通过视觉、听觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。虚拟现实有三个关键特征，包括：实时的交互性(Interaction)，实时指计算机能探测到用户的输入并同时修改虚拟世界；交互性有助于产生沉浸感(Immersion)，即让用户感觉到置身于屏幕所显示的情节中；要实现虚拟现实的交互性和沉浸感，以及要在实际应用中更好地解决问题，在很大程度上取决于研究者和设计者的想象力(Imagination)。因此，交互性、沉浸感和想象力够成了虚拟现实的基本特征，也就是“3I”特性。虚拟现实技术在发展的过程中，还有一些障碍，其中一大障碍来源于繁琐的三维建模。

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。由于其具有快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次革命。

1.应用三维激光扫描技术的虚拟现实技术与传统虚拟现实技术的不同

传统虚拟现实技术中的视景生成办法比较简单，如图1所示。

图1流程仅解决了视景定性分析及模拟过程，但足以在可视化环境中实现虚拟现实应用的功能仿真，至于仿真结果的可逆行工作则受到局限，因为缺少对真实现实的精确测绘及全面的实测数据，因此很难解决视景仿真的精确定量分析、逆向还原及用于定量分析真实目标结构特性，说的更确切点，三维激光扫描技术真正解决了面向目标的三维可视化重建及逆向工程的双性职能，这必将为虚拟现实技术的更广泛应用开辟全新的应用领域，同时，也是对传统虚拟现实技术瓶颈的突破及扩展。具体流程如图2所示。

2.三维激光扫描技术将拓展虚拟现实技术的应用内涵

从应用角度考虑，由于采用了三维激光扫描测绘技术与虚拟现实技术的完美结合，进而使正向工程更加精确及数据可操作化，同时也在逆向工程及快速还原应用中增加了革命性的跨越。

三维激光扫描测绘技术是通过激光脉冲发射到真实视景中，经过激光发射及逐点测绘，将对象坐标系统及物体的结构形态直接生成到电脑中，然后经过点云处理及三维实体建模，最终重建出真实视景世界，它的技术特点是：所有采集的真实世界都是由精确数据做保证的，同时又可以结合图形图象技术再现实景。

图1 传统虚拟现实技术中的视景生成办法

图2 三维激光扫描技术在虚拟现实中的应用

图3 三维激光扫描技术重建的模型及视景环境

图3是采用三维激光扫描技术重建的模型及视景环境，他们都是从相应的VR用例资料中截取的，从图中我们看不出与传统虚拟现实应用的区别，因为他们都具有虚拟现实应用的沉浸感、人机交互操作能力、过程仿真能力等，但由于采集实景的技术及三维重建的手段不同，进而应用深度及广度具有很大区别。

3.由三维激光扫描测绘技术重建的虚拟现实的优势

由三维激光扫描测绘技术重建的虚拟现实内容都是基于精确数据做支撑的，它除了具备传统虚拟现实内容的所有功能及要素外，其本质区别还在于：

——所有虚拟实体或实景模型都可以进行各种的测绘、分析、计量等，而传统虚拟现实技术是很难做到的。

——所有视景内容都是真实世界内容的高精度复制，任何计量数据或测绘数据都可以达到从0.005mm到1.5mm的精度值。

——所有虚拟实体及实景都可以直接应用于各种数据分析、模拟、逆向工程、快速还原、立体编辑、二维制图还原等。

——所有虚拟实体及实景都可以直接进行对真实物体的复制、校验、修复、检测、加工、测试、仿真工程，并且直接被目前国际流行的各种应用软件所调用，如：有限元分析、流体力学分析、CAD、三维设计、模具加工、工艺检测、设备维护、产品翻新、仿制仿研、计量测绘、形变分析等等。

4.三维激光扫描技术与虚拟现实技术的结合应用前景

充分利用现代信息技术的成果来加速、高效、低成本、高质量、更精准的实现不同应用领域的相关任务，这是目前国际上虚拟现实应用的重要特征。如果说传统虚拟现实技术还仅仅是初期信息工具描述现实活动的新生事物，那么三维激光扫描技术的引入将使虚拟现实技术变得更精准，更贴近人们的具体期望。

现今人们更关注的是如何改进业务流程，并持续地构建富有创新性的产品及概念，提高效益及数据整合手段，加快产品进步、提升质量及改进改造的时间。要实现这些，必须最大限度地使用研发及制造领域的活力之源，即：数字化及获取数据的手段。以便让这些数据在企业中处于最佳的使用效率，以实现工作成效的最大化。

[1]郭葆锋,肖大威,孙季丰.数码城市三维景观虚拟现实技术[J].四川建筑科学研究,2007(6):374.

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[3]胡西伟.基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究[D],武汉大学,2005,4.

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