从现实世界进入虚拟世界：Point Cloud独辟逆向蹊径

随着Point Cloud点云技术的出现，我们得到了一个新的解答。最近，三维设计软件提供商欧特克公司的中国研究院正在基于逆向工程技术原理，进行关于Point Cloud的应用的研究项目。这一项目的成果将使得制造、建筑等行业的工程师、设计师在建立虚拟三维模型时，采取完全不同的方式，从而获得更高的效率和更完美的结果。

Point Cloud：应对三维应用新需求
随着计算机图形技术的发展和计算机硬件性能的迅速提高，上世纪70年代末、80年代初，三维CAD技术开始从实验室走入工程实用领域。这使得计算机中的虚拟化、数字化世界更直观、更逼真，更接近现实的物理世界，从而极大地拓展了三维图形技术的应用范围，带来了更高的工作效率、更低的成本和更好的质量，其对设计、制造、施工和管理、服务等环节的巨大推进作用是不言而喻的。

事实上，已经有很多中国企业得益于三维技术的应用。北京一家设计、制造重型汽车的企业就使用三维设计软件Autodesk Inventor建立了产品的虚拟化三维数字模型。这些模型不仅使得抽象的工程数据、工程经验更为直观，更利于协同交流和设计修改。而且，工程师还利用三维模型进行复杂产品的干涉验证，从而减少了设计错误，提高了设计成功率，缩短了设计周期，进而降低了设计和后续生产制造的成本。

进入新世纪，三维技术在中国科研、教育和企业界的应用已经非常普遍，而且应用范围扩展到了航空航天、机械制造、汽车、船舶、建筑、勘探和医疗、考古等众多领域。随着应用深度和广度的延伸，传统三维技术也存在一定的局限性，用户需求的多样化对传统三维技术提出了挑战。面对用户的需求，越来越多的三维技术解决方案提供商致力于研发更具有前瞻性、更符合用户实际应用模式和流程的新技术。位于上海的欧特克中国研究院(ACRD)就在进行一项名为“Point Cloud”的研究工作。

欧特克公司是全球二维、三维数字化设计解决方案的重要供应商之一，其二、三维产品横跨产品制造、工程建设、地理信息和传媒娱乐等众多行业。欧特克中国研究院(ACRD)是欧特克公司全球最大的研发中心，超过1300名技术人员在这里面向全球用户进行研发和应用技术支持工作。

具体负责Point Cloud研究项目的ACRD工程师介绍说：“我们对客户需求研究发现，制造业、影视娱乐、土木工程和建筑等行业的用户都会利用三维扫描仪来扫描物理实体，再利用第三方软件处理扫描得到的Point Cloud（点云）数据，最终结果导入到AutoCAD或Navisworks这样的CAD软件中，从而解决实际的设计和建模问题。然而，点云处理的过程是比较复杂的，其结果也往往与实际应用需求存在很大差距。因此，我们的Point Cloud项目主要是关注如何从点云数据中建模，提取有意义的CAD模型，帮助用户更容易地将真实世界中的物体转变为三维虚拟数据，并把它们融合到现有的设计工具和工作流程中。”

实际上，利用三维扫描仪获取点云数据，再利用点云处理快速获得三维模型的方法，被称为“逆向工程”或“反求工程”。这项技术起源于上个世纪的80年代中期，并从上世纪90年代中期开始获得企业界的关注。早期的扫描设备大多是接触式三维扫描仪，如三坐标测量仪，这种扫描设备对于物理实体的尺寸和形状有严格的限制，太大、太小或形状结构太复杂的实体都不能扫描，因而不能采用逆向工程技术，限制了此技术的应用领域。

进入新世纪，激光式、照相式的非接触扫描设备逐渐成熟，大到公共建筑、小到艺术微雕，形状、结构复杂如人体器官，都可以通过不同的非接触式扫描仪获取点云数据。逆向工程的应用领域更广泛了，点云数据的处理也向着复杂化、规模化的方向发展。

工程师介绍说：“欧特克针对不同行业在三维图形领域有很多成熟的产品，Point Cloud项目将针对不同行业客户对逆向工程提出的新需求为已有产品提供更强大的点云处理和模型提取能力。”

Point Cloud：超越传统逆向技术
针对用户需求，Point Cloud基于传统逆向工程技术原理，相比现有的点云处理逆向工程软件，将有很多超越之处。工程师介绍说：“Point Cloud将在行业应用领域上有所突破。传统逆向工程软件主要应用于制造业，而欧特克的用户不仅包含制造业，还有建筑、地理信息、数字娱乐等行业的用户。这些行业用户对逆向工程和点云处理的要求不同，Point Cloud将采用不同的处理方式。例如，汽车、航空、航天、消费家电、模具和计算机零部件等设计与制造领域的用户，通过扫描设备获取点云，然后从点云数据中获取B样条或NURBS曲面，他们关注的主要是重建之后的CAD模型是否与原始模型吻合，其对模型精度的要求往往较高。建筑行业虽然同样采用逆向工程技术，但扫描设备一般会采用激光和照相式的非接触扫描仪，如车载激光扫描设备，且建筑物的点云数据量远远大于制造业产品，其精度要求也不同于制造业用户，对最终模型的关注点也不一样。因此，建筑物点云处理必须采用不同的算法和处理方式。”

传统逆向工程软件更多地针对制造业用户的需求而开发，对其他行业的特殊需求确实关注较少。以人物雕像的扫描数字化为例，工程师说：“人物雕像有很多‘自然形态’的模型特征，如人物的卷发，采用传统逆向软件处理这类的点云是非常困难的，而Point Cloud将采用不同的算法去解决类似的问题。”

近年来，扫描设备的发展越来越快，扫描方式日益多样化。Point Cloud充分考虑了新的扫描设备和扫描方式，从而提高点云数据处理的质量和效率。工程师说：“目前，在用的扫描设备有很多种，按扫描距离可以分为远距(High-Range)、中距(Mid-Range)、近距(High Precision)，按扫描过程可分为空中扫描仪、车载扫描仪、地面扫描仪和手持扫描仪等等。不同的扫描设备和扫描方式决定了点云规模和形态不同。例如，空中扫描仪属于远距离扫描，它通常被用来扫描整个城市地面的数据信息，通过这种方式获取的点云数据量通常在十亿级别，但是对于单个物体而言，数据则较稀疏，这些数据主要描述区域地貌形态的空间分布，用于地形分析和城市规划。传统的逆向工程软件无法处理这种点云数据。”

 Point Cloud将采用不同的算法和处理方式，以应付如此规模和特征形态的点云数据。

此外，在点云处理的过程中，需要经过从点到线、再到面的过程，这一过程需要进行大量的人机互动，费时费力。其原因就是计算机软件无法智能化地将离散的点云自动转为模型，并最大程度的符合真实的物理实体。工程师需要根据经验自行判断点、线、面的拓扑关系，这是逆向工程应用中的一大难点。Point Cloud研发团队正致力于使点云处理过程更智能化、自动化。“离散点云的拓扑结构对于计算机来说是模糊的，人工互动方式可以辅助软件进行识别，而自动的点云处理需要智能的处理方法，盲目地进行处理可能会得到不理想的结果。我们的项目试图利用特定领域里已有的一些规则或者是基于CAD模型的匹配来提高软件的智能化和自动化程度。另外，在扫描过程中同步获取的彩色图像也为智能化的点云处理提供了帮助”，工程师说。

Point Cloud：与欧特克解决方案无缝集成
在于今年正式发布的AutoCAD2011中，已经实现了点云支持功能。可支持多达20亿个点，帮助用户实现直接在建模工作区内快速查看扫描对象。欧特克公司拥有大量的二、三维软件产品，例如面向制造业用户的Inventor、面向建筑用户的Revit、面向数字娱乐用户的3DMAX等等，Point Cloud未来将给这些软件带来什么呢？工程师表示：“我们正在努力，在未来将会有更多的产品实现点云支持功能”。

目前，该团队正在加紧Point Cloud的研发，由于充分考虑行业需求，Point Cloud未来将拥有广阔的应用前景。除了已经开始大量采用逆向技术的制造业和数字娱乐业外，在未来一段时间，Point Cloud将更多的进入工业建筑、民用建筑和考古等领域。例如，利用Point Cloud在较短时间内对整个地形和城市进行建模；利用Point Cloud对厂房进行扫描和快速建模，并将三维模型用于厂房维护、翻新和质量监控；以及利用Point Cloud快速获取珍贵文物、古建筑的三维数据，从而更好地进行研究和保护工作。