摘 要： 采用三維數據采集技術，通過采集企業車間、產品的影像數據，獲取建模尺寸，構建直觀、形象的真三維數字車間、產品模型，通過優化模型數據，為企業的信息化系統提供數據支撐，以滿足制造企業在設計、生產及管理等方面的應用，達到豐富企業對外宣傳及展示、人員培訓、優化設計、完善售后服務、支持制造業信息化共性前沿技術研究的目的。
3D互聯網，也被稱成為Web3D，是一種立體的三維展示技術，是以計算機繪圖技術在Web瀏覽器上展現3D的對象，是通過在瀏覽器中內嵌3D虛擬場景的手段。它在保證3D立體效果的同時，有效地降低對網絡和硬件的要求，讓互聯網用戶能夠快速地體驗3D帶來的真實感受，并可讓使用者直接操控，做出如旋轉、移動、放大和縮小等動作[1]。
三維導覽系統的基礎是真三維還原的虛擬企業模型，可真實再現企業全貌，相較于普通單一的視頻或者圖片展示方式，人機互動更能給受眾帶去強烈的感官刺激及映像。而且，三維導覽系統將視頻、圖片、音頻等所有類型的宣傳載體融合于一個有序的虛擬操作空間，較之單一宣傳載體，更加豐富多元化。
1 三維數據采集技術
隨著航空、航天技術和計算機數字圖像處理技術的發展，攝影測量設備成本大幅度降低，數字攝影測量已經成為大規模、大區域測量的主要手段，經過相關數據處理之后能夠提供豐富的地理空間信息資料。目前，該技術己被廣泛地應用于國民經濟的各個行業，在國民經濟的建設發展中發揮著重要作用[2]。
建立三維導覽系統是企業信息化的重要環節，而車間三維模型數據測量采集與制作是整個三維導覽系統構建過程中的一部分，是三維導覽系統研發運行的基礎。而傳統的人工方式在采集數據時，存在如下問題：（1）效率低下，耗時費力；（2）精度不高，難以滿足生產管理的需要；（3）得到的數據管理組織困難；（4）數據兼容性差，造成數據利用率低下。
針對企業在三維建模過程中存在的問題，通過三維數據采集技術采集生產車間的影像數據，該技術效率高，人工少，尺寸精確。基于采集得到的尺寸數據進行模型的制作研究，建立真三維模型，進而構建三維數據庫，能在三維導覽系統框架平臺下與其他數據集成，為工廠產品設計、生產加工、精細化管理提供基礎數據。
基于三維數據采集技術研發的采集系統包括采集工具及圖像測量軟件。該系統采用CCD傳感器作為信息獲取工具獲取真實場景的圖片信息，然后采用近景攝影測量原理獲取三維空間中的信息（如點的坐標、兩點之間的距離以及點到直線的距離等）。
三維數據采集技術具備以下優勢：
（1）獲取的信息量大。由于尺寸的獲取是通過解算相片得到的，因此理論上只要是相片上看得到的物體，就可以恢復出它的三維原貌。由于采用高分辨率和大視場的專用測量CCD相機，一次成相范圍大，故每相對所包含的數據信息多。此外，由于是采用相片測量，還可以通過相片獲得物體的顏色、狀態、紋理等信息，這是傳統方法不能相比的。
（2）現場工作時間短，干擾現場程度小。由于尺寸的測量是通過相片得到的，因此不需要在現場花費太多的時間，在現場所要做的工作僅僅是拍照。每套系統每天可獲取幾千平方米的工廠尺寸數據的圖片信息。此外，系統設計成便攜式，可以一人手持工作，可以因時因地工作，故無論是系統對現場工作的影響，還是現場對系統工作的制約都很少。
（3）可以現場量測和離現量測、再量測。當獲得相片后，可以及時輸入計算機，用相應的軟件測量出所需要的數據信息。當然本系統的最大好處在于可以離現量測，可以讓大量的工作在事后用計算機完成。當提交數據后，若對某些尺寸有懷疑，可以在相應的相片上再次測量，而無須再到現場。這在處理某些瞬時場景的工作上具有特別的意義。
（4）獲取的尺寸精度高。由于采用了相當成熟的立體攝影測量技術，配合計算機解析測圖技術和選取專業的高分辨率的測量相機，因此所獲取的尺寸精度高。
目前該系統多應用于數字城市、航空領域等，用于制造業領域較少，因此要針對制造業特點進行改進。從采集模式上，可通過尺寸的重新設計找到最適合車間環境的設備尺寸，以滿足測量環境改變的需要。從數據處理上，可通過繼續升級數據測量處理軟件來提高數據處理的效率。通過這兩項的改進，可極大提高數據采集的效率，使本系統比傳統方式占據更大的優勢。
2 影像采集與三維建模
數字化三維模型數據采集與制作是實現工廠實景仿真的基礎。其主要目的是實現通過虛擬模型對數字車間的真實模擬，優化產品設計和制造過程，提高制造的柔性和應變能力，為經營決策服務。精確的三維實景模型將為制造業產品設計、生產組織、經營管理等方面提供一個全新的技術手段，以達到提高生產效率的目的。影像采集與三維建模作業流程如圖1所示。
2.1 影像采集
在廠區、車間虛擬仿真場景模型制作過程中，影像采集是一個重要環節。影像采集的詳細程度和質量好壞將直接影響制作的效率、模型制作的精細程度和最終場景的效果。
（1）物體全貌
盡可能拍到廠房全貌，最好有鳥瞰，如果拍攝的環境不允許，可以以多個角度拍攝幾張照片，盡最大可能把一棟廠房的全貌表現出來，這樣建模人員只通過幾張照片就可以了解廠房的整體面貌。
（2）物體細節部分
物體拍攝中最重要的部分包括每個物體立面及物體的細節部分特征。盡量取物體的正立面拍攝，有時物體物前有很多遮擋物，拍攝時要規避這些遮擋物。另外，在拍攝細部時要根據物體等級的劃分考慮需詳細拍攝的區域及要建模的區域。
2.2 三維模型制作
三維模型的制作流程如圖2所示。制作的車間、廠房模型如圖3所示，裝務、工裝模型如圖4所示。
3 系統應用
三維虛擬仿真工廠系統主要應用于以下幾個方面。
（1）企業對外宣傳及展示。根據企業個性化需求而設計出的企業園區漫游展示模塊、車間設備運作展示模塊，可以形象生動地再現企業生產制造過程，讓受眾在聯網的條件下有身臨車間觀摩的感覺。
（2）企業人員培訓。其中獨立的個性化模塊可以再現產品生產制造過程中的任一可視化有序步驟。例如產品裝配過程中需要人工裝配大型設備，在前期的人員培訓中，可能僅通過圖片或者裝配卡片形式的培訓方式不能在有效時間內對人員進行系統的講解，而三維虛擬仿真工廠系統中所嵌入的獨立產品生產再現模塊能形象地對裝配過程進行一個詳細的還原，對于新進人員的培訓工作起到了強有力的輔助甚至主導作用。
（3）提供全方位的產品展示。平臺具有360°全方位互動功能，通過相應的按鈕點擊觸發事件，對產品的結構、運作以及拆裝進行了直觀詳細的展示，便于客戶了解產品構造、工作原理及選型。產品展示領域可根據企業的實際需求，考慮基于了解產品構造或產品工作流程等出發，制訂展示方案。
（4）企業產品設計、車間改造、物流優化等輔助作用。產品展示獨立模塊通過人機互動的操作，能讓受眾對企業重點產品有更加全面細致的認識及了解，這是普通視頻及圖片無法做到的。前期專業尺寸數據采集工具所得的數據能夠提供給企業，為其日后工廠車間改造提供了基礎依據。而三維虛擬仿真工廠系統中的產品生產裝配模塊，則能為企業產品設計優化、生產裝配過程優化提供相應的有效的輔助作用。
（5）提供基于平臺的企業售后服務。可基于平臺提供三維動畫，演示產品的工作原理、維修方法與流程、保養方法與步驟等售后服務、知識的普及，惠及客戶。
（6）衍生拓展應用。系統構建前期所建三維模型數據可二次利用，作為企業產品設計初期參考輔助依據。三維模型經過處理能與其他平臺對接，用于企業開發自身適用信息化輔助軟件平臺，如車間改造軟件、物流優化軟件等。結合3D打印技術，經過二次加工處理，前期模型能夠用來制作大型展示活動中的沙盤模型及各種產品模型、模具。
（7）系統結合企業實際需求融合各功能模塊。導覽平臺在具備三維展示功能的同時，可以基于企業實際生產、管理、運營等各個方面的需要，開發各功能模塊嵌入該平臺，對各生產數據、經濟統計數據、人力資源管理數據等方面的指標進行相關統計與管理。各功能模塊可以輔助導覽平臺展示功能，對外宣傳展示企業，有利于科技管理部門政策信息的發布、統計數據的管理、地區高企形象的對外展示。
在二維向三維轉化的過程中，需要大量精確的三維數據以支撐系統的三維模型構建。本文在企業已有傳統的生產管理系統基礎上，將三維數據采集技術應用于制造業，研究測量所得三維數據融入現有系統的途徑及實現方式。將本文研究結果運用于企業三維導覽系統的構建，滿足制造企業在設計、生產及管理等方面的應用，達到豐富企業對外宣傳及展示、人員培訓、優化設計、完善售后服務、支持制造業信息化共性前沿技術研究的目的。
參考文獻
[1] 高東強，林歡．數字化技術在空間模具曲面中的應用[J]．機械設計與制造，2012（8）：243-245.
[2] 冉險生，林立．近景攝影測量在三維數據采集中的應用[J]．現代制造工程，2013（3）：100-104.
[3] 黃昌勝，孫黎明．基于數字攝影測量快速建模的方法研究[J]．城市勘測，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．