基于3D扫描的全息处理及三维构图技术研究

严志平

(山海关船舶重工有限责任公司，河北 秦皇岛 066206)

1 研究的内容与目标

出于节省成本的考虑，一般用于改装FPSO的原油船都有比较长的船龄，原船图纸严重缺失，且没有电子版图纸；同时部分项目经过修理或者改装后，与原图纸的差别较大，所以图纸状态难以反映船舶的实际状况。需要对目标油船的情况进行现场测绘，获得实际数据。

采用传统的人工手段进行测绘，不仅工作量大、耗时长，而且数据精度难以保证。同时手工测绘的图纸资料无法输入到三维设计软件中，不利于原船结构系统与改装部分的接口管理。

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术。它通过高速激光扫描测量，大面积、高分辨率、快速地获取被测对象表面的三维坐标数据。为建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有速度快，不接触性、穿透性、实时性、动态性、主动性强，高密度，高精度，数字化、自动化程度高等特性，其应用推广是测量技术的一次革命。

1)研究内容。本文研究内容包括3D激光扫描仪技术原理、产品分类和适用范围，三维扫描仪产品的选择，扫描仪的使用方法以及在船舶改装项目中的应用。

2)研究目标。研究目标为通过3D激光扫描设备对需要改装成FPSO的原油船进行三维扫描，获得三维点云数据，通过专用软件加工处理，构建原船的三维模型，再通过接口技术研究进行转换，使获得的三维数据能导入我公司目前使用的设计软件TRIBON，作为全三维生产设计的背景。

2 研究情况

本文对三维激光扫描仪的工作原理、产品分类进行了论述，重点对三维激光扫描仪的操作方法、逆向建模设计技术以及与现有三维设计软件的接口技术进行了研究；进行了三维激光扫描测绘技术在船舶改装项目中的大胆尝试，改进原有的测量手段，提高测量效率和精度，缩短设计周期和改装工程周期，增加船厂在船舶改装市场上的竞争力。

1)三维激光扫描仪的工作原理与分类。常用的扫描仪根据测距方式可划分为三角式、脉冲式和相位式。由于三角式和相位式测量范围小(0.5～100 m)，脉冲式测量范围大(1～6 000 m)，所以用于测绘工作的扫描仪绝大部分为脉冲式。脉冲式三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量的方法，以点云形式表现目标物体表面的几何特征。其测距方式是由激光发生器发射出激光脉冲，投射到被测量物体上后，由接收器接受到反射光，参考高精度时钟记录下激光脉冲往返时间差。测距仪与被测物之间的距离，即为光速和时间差乘积的一半。光速的精度可以通过准确测量影响大气折射率的几个条件(气温、气压等)来提高，时间的精度可通过一系列的判别技术来提高。在测距的同时，仪器通过内置角度测量系统来测量每一激光束的垂直角和水平角，进而获得每一个扫描点在扫描仪所定义坐标系内的X、Y、Z坐标值。三维激光扫描仪在记录激光点三维坐标的同时，也会记录激光点位置处物体的反射强度值，并称之为“反射率”。脉冲式三维激光测量原理图如图1所示。图1中α为激光束在坐标系中的水平角，β为激光束在坐标系中的垂直角，S为激光束，P为物体表面在坐标系中的点。

图1 脉冲式三维激光测量原理图

2)扫描区域的选择。本改装项目的改装工程主要集中在2个区域，一个是甲板区域，一个是机舱区域。其中，甲板区域内原船的设备和管系基本拆除，甲板线型变化小，对于后续的新加设备、管系布置、电缆布置影响小。机舱区域的原船设备大部分保留，各层甲板都有设备拆除，与设备相关联的管路系统、连接电缆、底座等也均需要拆除。同时，在各层甲板增加新的设备及相关的底座、管路系统、电气系统等。机舱内设备数量多，管系及电缆错综复杂，船体线型大，结构复杂，在布置新的设备及配套的底座、管系、电缆时，需要了解保留部分及拆除部分的实际布置情况。采用三维激光扫描建模，可以快速获得原船机舱布置情况，大量减少现场手工测绘的工作量和缩短工作日程，增加测量精度，保证后续新加部分的设计效率和准确度。

本文选择机舱内二、三甲板改装工程最多的锅炉区域，开展三维激光扫描建模工作。

3)三维扫描设备的选择。由于船舶扫描的特殊性，扫描仪设备的选择需要满足如下要求。

(1)扫描仪需要最小50 m的有效扫描距离。

(2)船舶改装周期紧张，一般会在改装前，船舶航运靠港期间进行扫描。因此扫描工作需要在短期内完成，扫描仪需要有较高的扫描速度。

(3)扫描获得的点云数据必须能够快速进行逆向建模，同时逆向建模的输出要与现有的TRIBON三维设计软件接口格式匹配，并且具有良好的识别度和识别效率。

(4)为保证后期生产设计三维建模的精度，要求扫描仪具有良好的扫描精度，每10 m的误差在±1 mm之内。

(5)扫描区域为封闭空间,环境复杂、空间狭小，且无自然光，需要采用灯具照明。同时，要求扫描仪必须具有良好的便携性、空间适应性和环境适应性。

4)三维扫描过程。对扫描仪进行相应设置后开始扫描工作，3D扫描仪界面及现场布置见图2。

图2 3D扫描仪界面及现场布置

为了确保每个扫描区域都能获得足够的点云数据，根据现场的实际环境情况布置了扫描仪和靶点的位置，共计扫描了45站点，每个站点的扫描时间大约为 4 分 20 秒，整个扫描过程大约 5 h。扫描后获得的点云数据如图3所示。

图3 扫描后获得的点云数据

进行三维扫描时应注意如下事项。①在扫描过程中应避免四周有人员走动，否则会出现很多杂点；②扫描仪下方30°锥角内为死角，扫描时需注意；③扫描仪在使用中需保持水平；④扫描物体时，为保证逆向精度，至少扫描物体3个方向；⑤由于同时受到单个站点视角的约束的影响，单个站点扫描不易形成完整的设施形体点云信息，存在无点云记录的部分，因此需要增加站点来获得更多的视角，从而增加新的点云；⑥在增加新的站点时，需要在各站点间设置标靶；⑦要求扫描操作人员具有非常丰富的操作经验，能够根据现场的实际情况，因地制宜地选择合适的站点位置和标靶位置；⑧选择标靶位置时要确保每个标靶都在扫描仪的视角范围内；⑨标靶不要固定在有振动的位置，并确保标靶吸附牢固；⑩在移动标靶前，首先要选择好下一站点，再移动标靶。不要将标靶全部取下，要一个一个地取下，并布置在新的位置上，至少要保证相邻的2个站点之间有3个重合的标靶。

扫描仪与标靶布置示意图见图4。

图4 扫描仪与标靶布置示意图

5)点云数据的逆向建模技术。扫描结束后，可以利用SCENE软件对各站点扫描的点云数据进行拼接，形成一个整体。最后将拼接后的点云数据进行导出、储存，用于后面的逆向建模工作。

扫描获得的点云数据是由一个一个的点构成的，如果直接导入TRIBON，则数据量巨大，耗费大量系统资源，以至于无法操作。利用专门的逆向建模软件可以对扫描的点云数据进行处理加工，将大量的数据点快速转化为实体的三维模型。

逆向建模工作与船舶设计一一对应，分为结构、舾装、管系、通风和电气几个专业分别进行建模工作。建模时应注意以下内容：①逆向建模时一定要辨别清楚，与现场照片对照使用，确保逆向数据与实际保持一致；②推荐逆向建模人员为实际参与扫描人员。逆向建模后获得的模型见图5。

图5 逆向建模后获得的模型

6)逆向模型的导出。利用逆向建模的导出功能可以实现模型的输出，在输出前应该对输出的格式与TRIBON 的导入格式进行接口测试研究，以确保模型的快速导入和有效识别。

另外，考虑到逆向建模后的模型在导入TRIBON后不方便进行编辑，因此需要在逆向建模软件导出前进行切分，模型切分的位置、原则如下：①首先按照结构、舾装、管系、通风、电气进行专业切分；②高度上按照各层平台进行切分；③左右按照左右舷进行切分；④前后按照肋位进行切分；⑤基于导入时间及在TRIBON中加载、操作流畅度方面的要求，切分后单个模型的数据大小应小于10 M；⑥所有逆向建模工作完成后，将模型数据进行导出，以便输入到TRIBON设计软件中。

本项目在逆向建模完成后，根据事先确定的导出原则，按照平台先切分为二平台、三平台2部分，然后在每个平台内再按照专业进行切分，全部模型共切分成10个部分，然后选择SAT格式进行导出。

利用TRIBON的导入功能，将SAT格式的模型导入到TRIBON中,单个模型的导入时间少于1 min，全部模型的导入时间在10 min之内。导入的模型没有发生数据丢失的情况，可以满足生产设计的要求。逆向建模在TRIBON中的效果见图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旧的VLCC油轮改装成FPSO为依托工程。改装时，在机舱锅炉区域应用了三维激光扫描技术和逆向建模技术，获得了FPSO改装项目的点云数据，完成了逆向三维建模的数据模型。

图6 逆向建模在TRIBON中的效果

通过本次研究，了解了3D激光扫描设备的工作原理，掌握了3D扫描的操作方法和点云数据的逆向建模技术，解决了获取原船图纸信息难的问题，实现了从测量到建模，再到设计的无缝连接，为改装项目的全三维生产设计提供了坚实基础。

3.2 经济及社会效益

此项测量、建模技术，大大提高了对原船数据的测绘速度，提高了测绘数据的精度，实现了测量数据的自动建模，缩短了三维建模的时间，相比手工测绘节省了约80%的时间，测量精度提高了10倍以上，解决了改装项目中工期紧、设计周期短的技术难题。

同时，此项技术的应用减少了人力、物力投入，降低测量人员的劳动强度，保证了人身安全。为船舶行业的改装设计开创了新的思路，在船舶测绘手段方面进行有益尝试，促进船舶测绘技术的发展，提高我公司在船舶改装市场上的竞争力。

4 存在的问题及改进建议

3D扫描技术在FPSO改装项目中得到了较好的应用，然而在其他类型的船舶改装项目中还没有推广应用。同时，技术人员在扫描操作以及逆向建模工作中的实际经验较少，需要进一步提高技能和效率。我公司每年有很多改装项目，建议在加装压载水装置等其他改装项目中应用此3D扫描技术，锻炼技术人员队伍，以提高测绘精度，提升改装效率。利用三维激光扫描技术的优势，将其应用到船舶建造过程中的精度控制等方面，促进无余量建造的发展。