航天领域三维数字化存档研究与应用实践

季晓菲等/北京航天长征科技信息研究所

随着图形图像获取设备的不断普及和升级，在制造行业中利用数字图像等多媒体形式记录产品的实施状态已经变得十分普及。近年来，航天领域对于多媒体记录的要求越来越高，在航天型号产品研制过程中数字图像等多媒体文件的数量呈爆发式增长，一个型号仅总装实施环节产生的数字照片数据量就有几十甚至上百个G，不断提升的多媒体记录需求和庞大的数据量给数字影像的采集、存储、管理、检索和分发、传递等都提出了严峻的挑战。

一、三维数字化技术及发展现状

因型号产品种类多，设备繁多且各系统工作模式复杂给研制验证全面性带来了挑战，保存和展示航天型号产品内外布局、外形尺寸、装配关系及各类软结构信息，反映“真实”的总装实施状态很有必要。为了能够较好地记录总装实施状态，一般采取在总装过程中进行拍照记录的方式，通过拍照实现对航天器状态的形象化记录，保证研制过程的可追溯性。但是航天型号产品规模庞大，传统的拍照方式不仅工作量巨大，而且获得的照片为“离散式”的，后续查询浏览不便，难以保证实施状态记录的覆盖性，无法满足需求，迫切需要改进。在型号研制过程中，因设备众多，技术状态复杂，需要多次进行各类测试，为保证型号产品状态，大型试验和专项试验一般采用封闭式管理，往往测试人员无法进入型号产品内部，需要操作或检验人员转述，给状态把控带来一定困难，直观地将型号产品实施状态“真实”反映出来成为有待解决的问题。

在图像数据的管理以及检索、浏览支持方面，国内绝大多数单位采取的是将影像数据存储在个人电脑中，尽管给部分型号编制了照片记录表格，但是手工检索模式检索的效率仍然较低。国外单位一般建立了影像数据管理系统，通过基于网页的结构化交互式方式支持用户远程查询和浏览图片。在图片的检索方面，将图片与产品挂接，支持用户图形化检索，这种模式相比于国内的手工模式，照片检索的效率和用户友好性都明显提升。但是，由于源数据的不连续性，这种方式仍然不能解决影像信息的离散和完整性问题。

全景是一种虚拟现实技术，这项技术使用相机环绕进行360度拍摄，将拍摄到的照片拼接成一个全方位、全角度的图像，这些图像可以在计算机或互联网上进行浏览或展示。全景可分为虚拟全景和现实全景2种，虚拟全景是利用3DS MAX或者Maya等软件，制作出模型现实的场景，而现实全景是利用单反相机或者全景相机拍摄的实景照片，由软件进行特殊拼接生成的真实场景。三维全景是使用全景图像表现虚拟环境的虚拟现实技术，也称为虚拟现实全景，其优势如下：一是避免了一般平面效果图视角单一，不能带来全方位感受的缺憾；二是互动性强，犹如身临其境，最真实的感受，这一点也不同于缺少互动性的三维动画；三是相比基于建模的虚拟全景，效果更加真实，而且制作周期短；四是全方位，全面展示360度球型范围内的所有景致，可观看场景的各个方向；五是实景，真实的场景，三维实景大多是在照片基础之上拼合得到的图像，最大限度的保留了场景的真实性；六是360度环视的效果，虽然照片都是平面的，但是通过软件处理之后得到的360实景，却能给人以三维立体的空间感觉，使观者犹如身在其中。常见的采集设备包括智能全景云台、手持全景相机、舱外拍摄系统、全自动拍摄导轨。

1.信息采集基本架构

信息采集方面主要包括智能全景云台系统、信息采集设备、拍摄控制系统、自动导轨工装和采集支持装备5个模块，通过各模块的协同采集，形成“高分辨率全景拍摄+单反相机+卡片式数码相机”的组合式信息采集模式，输出包括高清全景照片、高清宽画幅照片、微距全景照片、普通数码照片、高清视频在内的总装过程多维信息数据包，如图1所示。

图1 信息采集基本架构

2.采集流程

（1）拍摄环境准备

在航天器合适拍摄的位置放置脚架或导轨，通过低压无影光源布置环境光，使航天器内部光照均匀柔和。在每站的全景拍摄过程中，不能移动已布置好的脚架或导轨，否则会造成邻接全景图像无法拼接。

（2）拍摄系统组装

将三角架置于拍摄方案设计的拍摄站点，调整好拍摄高度,将单反相机固定在全景云台上,调整单反相机镜头与全景的轴向保持一致,将全景云台固定在三脚架上，调整全景云台至水平状态，固定好拍摄系统硬件，使硬件系统在拍摄过程中保持稳定，不产生晃动，调整相机为单一视差，如图2所示。

图2 采集流程

3.应用领域

近年来，随着计算机技术在图形测绘领域的飞速发展，三维扫描、倾斜摄影图形逆推建模、360度全景扫描等先进技术在文物维护、修复、数字化方面得到延伸和应用。文物具有历史信息丰富、珍贵、不可再生等特性，对容易损毁的文物应尽量减少提取、触摸。目前国内外各大博物馆及文保机构均在应用三维数字化技术，积极推进馆藏珍贵文物的三维数字化工作，探索文物保护、研究、展示及合理利用的新路径、新方案。

“中国印•舞动的北京”是国家一级文物，在恒温恒湿的条件下收藏于国家档案馆。基于科普需求，需要复制一个实物在奥运博物馆展示。2019年，研究人员在国家档案馆使用手持式扫描仪完成了“中国印•舞动的北京”的三维数字化数据采集工作。由于印章的材料是玉器，有点反光，采用光学扫描原理的手持式扫描仪扫描精度没有达到0.01mm级别，但是具备了复刻条件。三维模型处理完成后使用3D打印机打印模具，成功完成了该珍贵印章的复刻，采集到的三维数据也作为数字化文物进行了存档。

4.工业领域应用

在传统生产过程中零部件的检测大多数借助目视检查或者相机检测，目测检查受人的主观因素控制，对检测结果有较大影响，在大批量生产过程中不能充分保障检测质量和产品合格率。为了解决这个行业难题，某汽车企业引入三维数字化在线检测系统，如图3所示。该系统可以自动扫描流水线上传送过来的产品，当有产品进入扫描区时，三维传感器自动触发扫描获得产品边缘轮廓的三维坐标数据，并将数据实时传递给处理单元，通过处理单元的决策控制算法实现在线调整改进，随后通过以太网向后续工位上的自动喷胶机械手发送按照预设参数修正后的轨迹线以及操作方向，实现产品生产、检测、改进过程的高效全自动。

图3 某企业三维扫描在线检测系统示意图

二、三维数字化技术在航天型号产品中的应用

1.三维测量

某型号产品装配后涂装厚度与实际差别较大，从产品出筒发射安全性考虑，需要精确测量二级发动机涂层厚度，对喷涂后发动机进行外径测量。传统测量手段对于测量场地和测量工具的使用要求较高，不便于装配后的产品实施测量，研究人员提出采用无接触式扫描技术进行测量。

研究人员使用手持式扫描仪对发动机外表面进行轴向扫描，周向位置共取8～10点，重复扫描。随后在电脑上模拟出发动机外径尺寸，测量精度为0.2mm左右。根据测量数据对涂层厚度进行计算再修补后，结构专业通过测厚仪对涂层厚度进行再次测量，以满足指标要求。快速测得带涂层发动机的外形直径尺寸，不仅便捷高效，还极大地降低了手工测量误差。

2.数字化存档

三维数字化技术能够高效、准确地为技术人员提供产品生产、装配、试验现场的全方位空间位置信息，不但可以近乎真实地还原现场的视觉信息，还能提供准确的空间位置量测功能，将试验现场记录从传统的二维拍摄档案升级为三维数字化记录存档。

研究人员在天津某测试厂房对某航天型号产品进行全景技术扫描，记录发动机及级间段中的数据插口及线缆走向等重要位置信息，为型号提供三维数字化存档服务，对后续型号开展发射场质量复查、总装信息追踪等工作提供了有力支撑。

3.VR虚拟装配

借助高精度虚拟全景扫描技术，某型号组织在某厂完成发动机涡轮泵零部件扫描工作，后续通过VR与三维数据库技术的集成，实现了三维数据库可视化管理及应用；通过VR与实物数据库技术的集成，实现了数据与实物的可视化信息结合，使实物仿品得到增强现实的表达。

三、未来设想

随着科技的快速发展，人民生活水平的不断提高，商业模式的不断变革，行业竞争也不断加剧，用户需求越来越苛刻和个性化，传统行业迫切需要借助数字化转型来寻找新的增长机会与发展模式。在航天领域建立一个数字孪生工厂，并利用工业数据总线将实际工厂与其数字孪生模型进行连接，工厂的管理者便可以在全世界任何一个地方通过电脑里的工厂数字孪生模型掌握实体工厂当前的加工任务、加工设备的运转状态、产品的合格率等信息，结合360度全景扫描、大空间扫描、倾斜摄影逆推建模等多种扫描方式和多种数字引擎的开发技术，为航天科研生产地的检验检测形成完整的技术生态环境。这对于实现资源共享，建立自己的核心技术，根据型号需求进行新产品开发形成深度结合，将已有技术根据型号的需求进行改善、开发、形成市场影响力，对科研生产领域有广泛的应用前景。

后续，在应用层面，应深化三维数字化技术在质量检测等领域应用，进一步挖掘应用场景；在技术层面，集三维扫描技术、虚拟全景建模技术、实景全景技术和倾斜摄影逆推建模技术等多维信息数字融合技术的研究和应用，形成多维信息融合三维数字化存档流程，为武器型号产品开展质量检测、发射场质量复查、总装信息追踪等工作提供有力支撑；在行业层面，制定流程化、数字化扫描作业，并建立三维数字化存档档案管理标准。