摘  要： 采用三维数据采集技术，通过采集企业车间、产品的影像数据，获取建模尺寸，构建直观、形象的真三维数字车间、产品模型，通过优化模型数据，为企业的信息化系统提供数据支撑，以满足制造企业在设计、生产及管理等方面的应用，达到丰富企业对外宣传及展示、人员培训、优化设计、完善售后服务、支持制造业信息化共性前沿技术研究的目的。

       3D互联网，也被称成为Web3D，是一种立体的三维展示技术，是以计算机绘图技术在Web浏览器上展现3D的对象，是通过在浏览器中内嵌3D虚拟场景的手段。它在保证3D立体效果的同时，有效地降低对网络和硬件的要求，让互联网用户能够快速地体验3D带来的真实感受，并可让使用者直接操控，做出如旋转、移动、放大和缩小等动作[1]。

       三维导览系统的基础是真三维还原的虚拟企业模型，可真实再现企业全貌，相较于普通单一的视频或者图片展示方式，人机互动更能给受众带去强烈的感官刺激及映像。而且，三维导览系统将视频、图片、音频等所有类型的宣传载体融合于一个有序的虚拟操作空间，较之单一宣传载体，更加丰富多元化。

1 三维数据采集技术

       随着航空、航天技术和计算机数字图像处理技术的发展，摄影测量设备成本大幅度降低，数字摄影测量已经成为大规模、大区域测量的主要手段，经过相关数据处理之后能够提供丰富的地理空间信息资料。目前，该技术己被广泛地应用于国民经济的各个行业，在国民经济的建设发展中发挥着重要作用[2]。

       建立三维导览系统是企业信息化的重要环节，而车间三维模型数据测量采集与制作是整个三维导览系统构建过程中的一部分，是三维导览系统研发运行的基础。而传统的人工方式在采集数据时，存在如下问题：（1）效率低下，耗时费力；（2）精度不高，难以满足生产管理的需要；（3）得到的数据管理组织困难；（4）数据兼容性差，造成数据利用率低下。

       针对企业在三维建模过程中存在的问题，通过三维数据采集技术采集生产车间的影像数据，该技术效率高，人工少，尺寸精确。基于采集得到的尺寸数据进行模型的制作研究，建立真三维模型，进而构建三维数据库，能在三维导览系统框架平台下与其他数据集成，为工厂产品设计、生产加工、精细化管理提供基础数据。

       基于三维数据采集技术研发的采集系统包括采集工具及图像测量软件。该系统采用CCD传感器作为信息获取工具获取真实场景的图片信息，然后采用近景摄影测量原理获取三维空间中的信息（如点的坐标、两点之间的距离以及点到直线的距离等）。

       三维数据采集技术具备以下优势：

       （1）获取的信息量大。由于尺寸的获取是通过解算相片得到的，因此理论上只要是相片上看得到的物体，就可以恢复出它的三维原貌。由于采用高分辨率和大视场的专用测量CCD相机，一次成相范围大，故每相对所包含的数据信息多。此外，由于是采用相片测量，还可以通过相片获得物体的颜色、状态、纹理等信息，这是传统方法不能相比的。

       （2）现场工作时间短，干扰现场程度小。由于尺寸的测量是通过相片得到的，因此不需要在现场花费太多的时间，在现场所要做的工作仅仅是拍照。每套系统每天可获取几千平方米的工厂尺寸数据的图片信息。此外，系统设计成便携式，可以一人手持工作，可以因时因地工作，故无论是系统对现场工作的影响，还是现场对系统工作的制约都很少。

       （3）可以现场量测和离现量测、再量测。当获得相片后，可以及时输入计算机，用相应的软件测量出所需要的数据信息。当然本系统的好处在于可以离现量测，可以让大量的工作在事后用计算机完成。当提交数据后，若对某些尺寸有怀疑，可以在相应的相片上再次测量，而无须再到现场。这在处理某些瞬时场景的工作上具有特别的意义。

       （4）获取的尺寸精度高。由于采用了相当成熟的立体摄影测量技术，配合计算机解析测图技术和选取专业的高分辨率的测量相机，因此所获取的尺寸精度高。

目前该系统多应用于数字城市、航空领域等，用于制造业领域较少，因此要针对制造业特点进行改进。从采集模式上，可通过尺寸的重新设计找到适合车间环境的设备尺寸，以满足测量环境改变的需要。从数据处理上，可通过继续升级数据测量处理软件来提高数据处理的效率。通过这两项的改进，可极大提高数据采集的效率，使本系统比传统方式占据更大的优势。

2 影像采集与三维建模

       数字化三维模型数据采集与制作是实现工厂实景仿真的基础。其主要目的是实现通过虚拟模型对数字车间的真实模拟，优化产品设计和制造过程，提高制造的柔性和应变能力，为经营决策服务。精确的三维实景模型将为制造业产品设计、生产组织、经营管理等方面提供一个全新的技术手段，以达到提高生产效率的目的。影像采集与三维建模作业流程如图1所示。

2.1 影像采集

       在厂区、车间虚拟仿真场景模型制作过程中，影像采集是一个重要环节。影像采集的详细程度和质量好坏将直接影响制作的效率、模型制作的精细程度和终场景的效果。

       （1）物体全貌

       尽可能拍到厂房全貌，好有鸟瞰，如果拍摄的环境不允许，可以以多个角度拍摄几张照片，尽可能把一栋厂房的全貌表现出来，这样建模人员只通过几张照片就可以了解厂房的整体面貌。

       （2）物体细节部分

       物体拍摄中重要的部分包括每个物体立面及物体的细节部分特征。尽量取物体的正立面拍摄，有时物体物前有很多遮挡物，拍摄时要规避这些遮挡物。另外，在拍摄细部时要根据物体等级的划分考虑需详细拍摄的区域及要建模的区域。

2.2 三维模型制作

       三维模型的制作流程如图2所示。制作的车间、厂房模型如图3所示，装务、工装模型如图4所示。

3 系统应用

       三维虚拟仿真工厂系统主要应用于以下几个方面。

       （1）企业对外宣传及展示。根据企业个性化需求而设计出的企业园区漫游展示模块、车间设备运作展示模块，可以形象生动地再现企业生产制造过程，让受众在联网的条件下有身临车间观摩的感觉。

       （2）企业人员培训。其中独立的个性化模块可以再现产品生产制造过程中的任一可视化有序步骤。例如产品装配过程中需要人工装配大型设备，在前期的人员培训中，可能仅通过图片或者装配卡片形式的培训方式不能在有效时间内对人员进行系统的讲解，而三维虚拟仿真工厂系统中所嵌入的独立产品生产再现模块能形象地对装配过程进行一个详细的还原，对于新进人员的培训工作起到了强有力的辅助甚至主导作用。

       （3）提供全方位的产品展示。平台具有360°全方位互动功能，通过相应的按钮点击触发事件，对产品的结构、运作以及拆装进行了直观详细的展示，便于客户了解产品构造、工作原理及选型。产品展示领域可根据企业的实际需求，考虑基于了解产品构造或产品工作流程等出发，制订展示方案。

       （4）企业产品设计、车间改造、物流优化等辅助作用。产品展示独立模块通过人机互动的操作，能让受众对企业重点产品有更加全面细致的认识及了解，这是普通视频及图片无法做到的。前期专业尺寸数据采集工具所得的数据能够提供给企业，为其日后工厂车间改造提供了基础依据。而三维虚拟仿真工厂系统中的产品生产装配模块，则能为企业产品设计优化、生产装配过程优化提供相应的有效的辅助作用。

       （5）提供基于平台的企业售后服务。可基于平台提供三维动画，演示产品的工作原理、维修方法与流程、保养方法与步骤等售后服务、知识的普及，惠及客户。

       （6）衍生拓展应用。系统构建前期所建三维模型数据可二次利用，作为企业产品设计初期参考辅助依据。三维模型经过处理能与其他平台对接，用于企业开发自身适用信息化辅助软件平台，如车间改造软件、物流优化软件等。结合3D打印技术，经过二次加工处理，前期模型能够用来制作大型展示活动中的沙盘模型及各种产品模型、模具。

       （7）系统结合企业实际需求融合各功能模块。导览平台在具备三维展示功能的同时，可以基于企业实际生产、管理、运营等各个方面的需要，开发各功能模块嵌入该平台，对各生产数据、经济统计数据、人力资源管理数据等方面的指标进行相关统计与管理。各功能模块可以辅助导览平台展示功能，对外宣传展示企业，有利于科技管理部门政策信息的发布、统计数据的管理、地区高企形象的对外展示。

       在二维向三维转化的过程中，需要大量精确的三维数据以支撑系统的三维模型构建。本文在企业已有传统的生产管理系统基础上，将三维数据采集技术应用于制造业，研究测量所得三维数据融入现有系统的途径及实现方式。将本文研究结果运用于企业三维导览系统的构建，满足制造企业在设计、生产及管理等方面的应用，达到丰富企业对外宣传及展示、人员培训、优化设计、完善售后服务、支持制造业信息化共性前沿技术研究的目的。

参考文献

[1] 高东强，林欢．数字化技术在空间模具曲面中的应用[J]．机械设计与制造，2012（8）：243-245.

[2] 冉险生，林立．近景摄影测量在三维数据采集中的应用[J]．现代制造工程，2013（3）：100-104.

[3] 黄昌胜，孙黎明．基于数字摄影测量快速建模的方法研究[J]．城市勘测，2012（6）：81-83.

[4] HARTLEY R， ZISSERMAN A． Multiple view geometry in computer vision（Second Edition）[M]. London：Cambridge University Press，2003．

[5] RIEKE-ZAPP D， TECKLENBURG W． Evaluation of the geometric stability and the accuracy potential of digital cameras-comparing mechanical stabilisation versus parameterisation[J]． ISPRS Journal of  Photogrammetry and Remote Sensing， 2009，64：248-258．

[6] CHIKMKY E J， CRMSII J H． Reverse engeering and design recovery： a taxonomy[J]． IEEE Software， 1990，7（1）：13-17．

[7] AOYAMA H． A new method for detecting the contact point between a touch probe and a surface[J]． Annals of the CIPP， 1980，38：517-520．