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三维重建虚拟现实技术及其军事应用
2015年11月28日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:吴 彤,傅 中力
    单位:国防科学技术大学
        国家安全与军事战略研究中心

    [摘要] 概括介绍三维重建技术,围绕军事测绘导航、虚拟战场构建、无人作战应用、军事医疗救护和装备制造维修.阐述三维重建技术的军事应用领域,从目标指示、模拟训练、无人系统、卫勤工作和装备保障等方面揭示三维重建技术的军事影响。

    一、概述

    (一)三维重建技术

    三维重建技术是对三维物体或场景建立适合计算机表示和处理的数学模型,是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析的基础,也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。

    随着计算机技术广泛应用于生产生活的方方面面,特别是随着3D打印技术等先进制造技术走进千家万户,高效建立物体三维几何模型的需求更加旺盛,三维重建技术成为学术界研究热点。传统的三维建模技术,如计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD),是基于简单的曲线和曲面对三维模型进行直接设计,但这种技术难以精确表示雕像、人脸、树木等现实生活中常见的具有丰富表面细节的物体。基于图像的建模虽然具有较大的灵活性,但也同样无法有效对具有精致表面细节和几何信息丰富的物体进行重建。因此,研究人员使用各种获取设备对物体几何信息进行采集处理,从而得到真实逼真的三维模型逐渐成为主要的三维建模手段。


通过三维扫描对零部件进行重新建模

    为了满足各类应用对真实世界三维信息的需要,各个领域的研究人员都致力于新型获取手段的探索和现有重建技术的改进。如计算机视觉中需要获取目标的三维特征从而实现自动目标识别和分类.机器人学中需要借助对环境信息的获取实现自动导航,测绘学领域需要获取高精度的地形信息以及植被、建筑物、道路等非地形信息,而考古学需要获取文物及遗址的三维模型实现对它们的保护和修理等。来自多个领域的需求促使当前各种三维重建技术层出不穷,精度不断提高,速率趋于实时,成本不断降低,进一步促进三维重建技术的广泛应用.特别是促进其在军事领域的深度应用。

    (二)主要分类

    三维重建技术可以根据采集方式、处理实时性等进行分类。

    根据采集方式,三维重建技术可以分为接触式和非接触式两大类。接触式方法基于力触发原理,借助于一定的传感器,通过探针等与物体直接接触来获取物体表面采样点的坐标,主要包括触发式数据测量、连续式数据测量等技术。非接触式方法利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象,如声、光、电磁等来获取物体表面的三维坐标信息。根据所采用的物理原理,又可分为光学方法、声学方法和电磁学方法。光学方法应用最为广泛,主要包括立体视觉法、结构光方法等:声学方法主要包括超声波方法等;电磁学方法主要包括业CT法和核磁共振(MRI)法等。


通过核磁共振对人体部位进行三维重建

    根据能否实时处理可分为非实时三维重建技术和实时维重建技术。非实时三维重建技术主要包括双日视差法、明暗恢复形状法、调焦法和投影栅相位法等,其计算复杂、操作繁琐不能实时地应用于三维场景的重建。非实时三维重建技术主要包括单激光线扫描法、傅里叶变换轮廓法、彩色条纹结构光等,具有算法效率高、处理数据量小、算法能够有效处理噪声、不需要人工加以修正数据等特点、

    二、三维重建技术的军事应用

    (一)军事测绘导航

    20世纪70年代美国航天局(NASA)启动激光雷达技术(采用激光进行高度测量)研究,该技术目前已成为快速获取大规模空间信息的有效手段激光雷达是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的新技术,可用于获取大规模场景的高精度、高密度三维坐标数据,并通过相应的软件转换为多种应用所需要的地形数字高程模型(DEM),可以进一步转化为数字正射影像(DOM)、数字线划地图(DLG)和数字栅格地图(DRG)等数据。与传统的数字摄影测量手段相比,激光雷达技术在大大简化获取流程、缩短获取时间的同时提高了测量精度。同时,激光技术可以从源头上解决高精度、高分辨率的二三维地形数据和影像数据的快速获取问题,大大促进维军事地理信息系统的发展与完善,可以为各类巡航导弹路径规划等作战任务提供精确地理信息。


根据三维GIS数据重建的地形

    (二)虚拟战场构建

    三维虚拟战场构建定位于为真实战场环境建立高精度、真维、可量测、真实感强的模型,主要是指对目标环境内建筑物、地形、植被以及其他地物地貌的建模。作为数字战场的基础框架和平台,维虚拟战场构建在军事训练、作战任务规划与指挥决策等方面具有广泛的应用。美国国防高级项目研究计划局DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)自2O世纪8O年代起一直致力研究和开发SIMNET(Simulator Networking)虚拟战场环境,以提供坦克协同训练,不仅降低了作战训练费用,同时提高了训练质量到1989年,SIMNET形成了约260个地面装甲仿真器及通讯网络、指挥所和数据处理设备等互连的网络,节点分布在美国和德国的l1个城市,形成了一个包括海陆空多兵种、3700个仿真实体参与、地域覆盖范围500×750km² 的军事演练环境。美围海军研究实验室与弗吉尼亚技术研究室协作开发的战场可视化虚拟环境Dragon多次直用于作战演练,受到军方的一致肯定。美军在9O年代末期提出了信息优势七大先期概念研究项目,其中多项涉及战场可视化技术研究,主要有:陆军/海军陆战队联合在城区地形的军事行动的先期概念技术演示、陆军的综合态势认知和目标定位计划、快速地形可视化先期概念技术演示、作战空间指挥和控制先期技术演示等。作战空间指挥和控制先期技术演示,为应用于陆军作战指挥系统(包括机动控制系统和2l世纪部队旅及旅以下作战指挥系统)的改进提供技术选择。

    (三)无人作战应用

    三维重建技术可以有效推进无人装备走向实战化应用一方面.通过实时获取生成三维环境,有助于实现无人装备的自动导航。例如,在美国国防部高级研究计划局(DARPA)的支持下,波士顿动力公司联合福斯特·米勒公司、JPL和哈佛大学共同研究大狗(Bigdog)四足军用机器人,用于在一些军用车辆难以使用的险要地方助士兵一臂之力,进行作战物资的运输。大狗机器人配有环境感知电子眼,能够结合立体视觉和激光扫描仪产生精确的三维地形模型,使其能够分辨出前方安全的道路。另一方面,通过获取目标的维特征,可以实现目标自动识别和分类,并判断目标的行为动作,为人机协同提供有力支持。


人体三维扫描数据重新建模

    (四)军事医疗救护

    三维重建技术在军事医疗救护领域发挥重要作用。除了使用传统的CT扫捕设备可以获取伤病人员的(部分)三维模型,进而为医生快速精确定位患处提供有效支持外,目前基于激光扫描或结构光扫描设备的扫描技术由于精度高且对人体无辐射作用,已经用于构建牙齿、颌面或脸部软组织等部位的精确三维模型,从而为相关的正畸手术提供帮助。此外,通过扫描手段获取人体的全身或者骨骼、关节等部位的三维模型,可以为身形矫正和假肢制造等提供精确的参数信息。

    (五)装备制造维修

    三维重建技术广泛应用于装备制造维修域。一方面,随着逆向工程不断发展,将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术加速演进,通过特定的测量设备和测量方法,如高精度激光扫描仪,获取实物表面离散点的几何坐标数据,并重建三维模型,是逆向工程的首要环节例如,著名逆向工程解决方案提供商Direct Dimensions公司使用FAROLS激光扫描仪获取F15战斗机CAD模型。另一方面,随着各种扫描技术在工业领域的应用,基于非接触式三维测量技术的微断面技术(Microprofilometry)、激光扫描技术等被广泛应用于工业制造中的质量检测。根据扫描数据,评估产品表面的光滑度、弯曲度、拓扑信息以及典型的缺陷,实现对产品质量的检测与监控。

    三、三维重建技术的军事影响

    (一)目标指示更加精确
   
    随着武器装备信息化程度不断提高,远程精确打击武器在战争中发挥的作用愈发凸显,从近几次局部战争中精确制导武器的运用和效果可以深刻体会。精确制导技术也得到不断发展,天文制导、惯性制导、GPS制导、地形匹配制导、景象匹配制导等多种方式组合运用,为导弹提供精确的目标指示[41。其中,景象匹配制导作为一种重要的末段制导方式,有效提升了导弹的精确打击精度。所谓景象匹配,是指在导弹制导系统中预先存储大量目标基准图像。在制导过程中,导引头不断对目标进行探测,获取实时图像,然后与存储的目标基准图像进行相似度分析.检测判定出所要攻击的目标,主要包括红外成像制导、可见光成像制导、合成孔径雷达(SAR)图像制导以及下视景象匹配制导等[51。三维重建技术的发展和计算处理能力的提高,将使二维景象匹配升级为三维景象匹配,通过预先存储目标区域的三维场景,并在制导过程中实时解算比对三维模型匹配程度,准确发现捕获目标,使得伪装手段更易失效,提供更加准确的目标指示手段

    (二)模拟训练更加逼真

    军事训练作为提高部队战斗力的基本途径,是最直接、最有效的军事斗争准备。实战化是军事训练的应有之义,现代战争制胜机理演变给实战化训练赋予了新的时代内涵和实践要求。在和平与发展的主题下,模拟训练成为提升军事训练实战化水平的重要方式,通过为部队人员提供模拟训练系统或器材,达到模仿武器装备性能、战场环境和作战行动的目的嘲。为了紧贴作战对手、紧贴作战任务、紧贴作战环境,构建逼真的虚拟或实物作战环境成为模拟训练中需要重点解决的问题,单一纸质或数字地图均已无法满足作战训练要求,需要提供大范围、动态、多时相、多规格的数字产品,并基于其形成三维虚拟\实物作战环境。在侦察探测过程中运用三维重建技术,可以通过摄影测量及相关技术和手段.形成目标区域环境的精准三维模型,以满足构设逼真作战环境的需要.为部队快速适应各种地形条件反差大的生疏战场环境提供有力支撑,为提前谋划推演作战行动提供可靠保证,切实提高部队能打胜仗的能力。

   (三)无人系统更加智能

    无人作战系统日益受到世界各国军队青睐,因其不仅能够完成侦察监视、火力打击、欺骗干扰、排雷布障等任务,而且具有减少战争伤亡、适合恶劣环境、弥补兵员不足、降低战争成本等优势。

    在世界各国的巨资投入下.无人系统不断向小型化、隐形化、自动化、多功能化、高智能化、集群化、网络化和标准化发展。在未来战场上,无人系统的应用范围必将越来越广,从个体应用、零散应用向群体应用、规模应用转变,能力融合部队和各种功能的无人系统的编组对抗,成为未来战争力量的主要存在和运用形式[。人与无人系统以及无人系统之间的编组将负责遂行未来作战任务进而取代目前以有人为主的编组对抗,这对无人系统的智能化提出了较高要求。在无人系统中广泛使用三维重建技术,可为了无人系统构建机器视觉,便于更准确的认识周围环境和识别各类目标。例如,在无人作战平台自动导航和自动驾驶过程中,可以通过加装三维激光扫描仪或深度摄像机来得到地面或空中物体的三维数据.并实时重建出三维几何模型,获取环境中目标或障碍物的位置和尺寸,与自动控制机制一起实现避障和路径规划等操作。

    (四)卫勤工作更加高效

    一方面.三维重建技术为部队官兵身体检查工作带来了极大的方便。使用三维重建技术,人们在量身高体重的同时,可以同时构建个人的三维立体模型,进而计算采集头围、胸围、腰围、臀围等参数.既可以供医疗人员汇总个人身体基本状况,也可为军需被装部门提供原始数据,供服装设计人员参考。此外,螺旋CT三维重建立体显示技术已经应用到军事训练关节损伤检查,可以解决因膝关节结构复杂而导致检出率不高的问题。另一方面.三维重建技术配合3D打印技术可以实现战场即时防护。战场救护是维持人员战斗力的重要环节在以往的战场救护中,由于缺少对严重伤病员只能采取医疗后送的方法,战场救护难度大、成功率较低、很多伤员由于战场救护不及时而留下终身残疾,甚至付出生命。利用三维重建技术.可针对不同伤员构建起骨骼、器官乃至毛细血管的i维模型.并通过3D打印机打印,为战场第一时间救护提供强有力的支持。

    (五)装备保障更加便捷

    一方面,_二维重建技术可提高武器装备结构设计能力尽管CAD技术发展迅速,但是对于一些复杂零件,采用正向设计的周期长、难度高,进而影响研发设计进度。因此通常采用逆向工程的方法使用粘土或泡沫模型代替CAD设计,三维重建技术可以方便地将实物模型转变为数字模型,实现复杂零件的外形设计。

    此外,在模具制造中经常需要通过试冲和修改模具型面才能得到最终符合要求的模具,通过对最终符合要求的模具测量并重建出其CAD模型。在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序,进而大大减少修模量.提高模具生成效率,降低模具生产成本。可见,维重建技术可在研发武器装备零部件时快速形成最优的结构设计,加速推动武器装备研发生产过程。

    另一方面,三维重建技术可精确测量装备部件尺寸。在机械、汽车、航空、军工等大型装备制造过程中,通常采用复杂铸件以节约材料和加工成本,但是由于受铸造工艺水平的限制,复杂铸件加工完成后还要进行加工余量和工艺优化,光学三维重建技术具有非接触、精度高、效率高等优点,可以精确获得复杂铸件的三维数据,确保加工过程

    参考文献

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    [3]孙向军.场景三维重建的若干关键技术研究[D].南京:南京理T大学.2004.

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    [5]李言俊,张科.景象匹配与目标识别技术[M].两安:西北丁业大学出版社.2009.

    [61全军军事术语管理委员会,军事科学院.中国人民解放军军语[M].北京:军事科学出版社,2011.

    [7]樊高月.21世纪外军作战趋势研究[J].中闰军事科学2013(21:88—95.

    [8]陈文灵,高楠.作战力量发展展望[J].军事学术,2013(71:3l-34.

    [9]杨洪文,董丽华,周平,等.螺旋CT三维重建立体显示存军事训练膝关节损伤中的应用[J].西南国防医药,2010(8):842-844.

    [10]丁华.激光三维扫描、重建技术在逆向T程中的应用[D].山东:山东大学,2004.

标签:军事重建
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