【国际】激光3D扫描及其军事应用

2023-06-03 00:42| 来源: 网络整理| 查看: 265

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激光3D扫描已经在军事系统、逆向工程、虚拟现实、维护支持和质量控制的快速原型制作中得到普遍性应用。

3D激光扫描是一种将物理对象的精确尺寸和形状作为数字三维表示形式输入计算机世界的方法。3D激光扫描是一种非接触的、非破坏性的技术，它使用一条激光线以更快、更准确的方式数字化捕捉自然物体的形状和结构。3D激光扫描仪从物体表面创建“点云”数据。

激光雷达（Lidar）是光探测和测距的简称，通过将激光束反弹到物体上并测量其返回所需的时间，对物体进行三维扫描。该技术可以将不同角度的扫描结果拼接在一起，形成物体的毫米级精度的三维数字表示。最新的激光雷达扫描工具还可以拍摄照片，并将其叠加在数据点云上，以获得一个看起来更真实的模型。

三维扫描的过程从数据采集开始，将需要激光扫描的物体放置在数字化仪的床上。专门的软件驱动激光探头在物体的表面上方。激光探针在物体表面投射出一条激光线，同时2个传感器相机不断记录激光线在三维空间（XYZ）的变化距离和形状，因为它沿着物体扫过。

物体的形状在计算机显示器上显示为数百万个点，称为“点云”，因为激光在周围移动，捕捉到了物体的整个表面形状。这个过程非常快，每秒可收集75万个点，而且非常精确（±.0005″）。在创建巨大的点云数据文件后，它们被配准并合并成物体的一个三维表示，并用适合特定应用的各种软件包进行后期处理。

美国海军陆战队使用图标3D打印机在战场上快速创建混凝土结构

军事应用

三维扫描在军事上有重要的应用，从快速原型设计和逆向工程到维护、碰撞测试到质量控制。逆向工程是解构一个物体的过程，以看到它的设计和它的组装方式。3D扫描不仅缩短了生产周期，而且还提供了更大的成本效益。与其经历繁琐的制造过程，它使军队能够使用更便宜的材料生产新的武器或备件。

保持舰艇的最佳状态是海军部队战备的一个重要方面，为此，MKM公司求助于Artec 3D公司，这是一家生产3D扫描仪、为整个荷兰海军承担3D扫描项目的公司。瓦库伦科（Vakulenko）说，如果你需要在军舰或飞机上增加任何东西——比如新的座椅或橱柜——最快和最准确的方法就是扫描这些区域。

它在复制老式军事装备的个别部件时很有用，特别是在制造商不再生产该型号的情况下。准备一份武器的数字拷贝也会非常有帮助，特别是在战斗区。万一某个部件坏了，而又没有备用部件，数字格式将非常方便。三维扫描对支持也很有用；军舰通常离他们的基地很远，所以在需要技术支持的情况下，这通常是在远方进行。有关的区域通常被3D扫描，这样支持工程师可以更好地查看问题。

在武器的首件检验期间（或验证物体设计的过程中），3D扫描也可以发挥重要作用。通过获得设备的数据点，制造商可以立即发现任何不准确的地方，因此，在大规模生产过程中尽量减少缺陷。

三维扫描仪是质量控制和检验的重要工具。物理零件可以通过三维扫描来创建一个数字模型。然后，扫描后的零件的数字模型和用于创建零件的数字模型可以进行比较，以确保该零件符合所需的规格。

此外，3D扫描也常用于碰撞测试，既可作为标准程序的一部分，分析物体的结构以及如何改进它，使其能更好地承受碰撞情况，也可用于真实的碰撞情况，以记录发生的情况。

三维扫描仪市场预计将从2016年的34.1亿美元增长到2023年的59.0亿美元，在预测期内的复合年增长率为7.8%。三维扫描是一个巨大的市场，由于全球各地的媒体、航空航天、医疗基础设施等需求的增加而受到关注。

军队中的三维扫描、逆向工程和原型设计

美国海军利用虚拟和混合现实的3D扫描技术进行战损评估

激光雷达生成的3D模型已成为美国海军舰队的优先事项。综合作战系统项目执行办公室在2021年发布了一份备忘录，指示安装和现代化团队在技术可用时，对他们在海军舰艇上工作的区域进行激光雷达扫描。

据SPAWAR媒体报道，美国海军工程师使用激光雷达技术的三维成像能力，测量了圣地亚哥号（LPD 22）、特鲁克斯顿号（DDG 103）和安克雷奇号（LPD23）上的指定空间，精确到毫米。然后，虚拟现实和虚拟环境软件（virtual reality and virtual environment software）将价值数百GB的扫描数据处理成扫描区域的虚拟现实模型，文件量不到100 GB。

一旦模型创建完成，水手们就可以戴上虚拟现实护目镜头盔，在舰艇的一个偏远地区进行虚拟导航。混合现实作战环境开发实验室（Battlespace Exploitation of Mixed Reality Lab.）主任海迪·巴克解释说，除了使用这些扫描进行安装......水手们现在可以在他们的船上，在他们的确切空间，用他们的确切设备进行“虚拟”训练，因为这些扫描，同时，新的系统可以被制作成原型，并插入到“虚拟”舰艇环境中进行设计和测试。

战斗损毁评估

美国海军在2022年测试了激光雷达扫描和3D船舶模型的新用途——评估战斗毁伤。2022年3月下旬的静态引爆训练活动，在该活动中，一枚炸药被放置在船上，目的是破坏它，以及即将到来的演变，是海军创新科学与工程（NISE）计划资助的激光雷达聚焦大型项目的关键部分。作为该项目的一部分，多个作战中心正在合作，通过激光雷达扫描构建整艘船的3D模型，旨在将这些模型的使用范围扩大到战斗损毁评估和修复、安装和现代化以及其他舰队应用。

海军水面作战中心（NSWC）费城分部（PD）先进数据采集、原型技术和虚拟环境实验室的团队负责人帕特里克·维奥兰特（Patrick Violante）说：这些与退役舰艇进行的训练活动对激光雷达大型项目来说确实是个很好的机会。我们想表明，我们可以快速捕捉损害，将其叠加在基线模型上，准确记录状况，然后与更大的社区分享数据，以做出工程决策。

这项工作正值激光雷达扫描工具的选择和价格增加之际。通过利用该技术构建更多的3D船舶模型，激光雷达大型项目合作伙伴旨在减少工程团队前往船舶的需求，实现虚拟船舶检查等远程支持，并缩短舰队在海上遇到的伤亡和维护问题的响应时间。

荷兰皇家海军正在对其所有舰艇进行3D扫描，以便进行维护

荷兰皇家海军船厂（MarinebedrijfKoninklijke Marine）负责维护荷兰皇家海军的船只，为船只制造新零件以更换受损零件，并在需要时对船上部件进行修改，从船体到武器系统和发动机。

现在，即使没有零件的三维数据或图纸，我们也能使用Artec三维扫描仪来创建物体的三维图像，扫描结果被用来对物体进行反向工程。然后使用3D打印技术、3-5轴铣削或3D焊接来复制该部件。在大多数情况下，船舶的部件正在被逆向工程或新创建；这在老式海军舰艇中尤其如此，因为这些部件的供应商已经不存在了。

本项目使用的Artec Eva和Spider 3D手持扫描仪是结构光扫描仪。扫描仪的工作原理是将光以网格模式投射到物体上，这使它们能够从多个角度捕捉到变形或扭曲，然后用三角测量法计算出与物体上特定点的距离。这些坐标被用来产生一个三维数字模型。

美陆军希望三维扫描新兵身体以打造更好的盔甲

军方正在采用数字身体扫描仪来收集身体尺寸数据，并自动发布尺寸。有一种希望是，人体扫描仪数据可以用于创建3D服装图案，用于现场大规模定制。

2014年，总部位于纽约的初创公司身体实验室（Body Labs）披露了美国军队的身体扫描的未来。在一份为期两年、价值超过90万美元的合同中，该公司将提供数千名士兵的详细3D模型，以及为这些化身穿衣、摆姿势和制作动画的工具。

通过将陆军目前由大约12,000个身体扫描数据组成的数据库（这些扫描数据是在为期18个月的研究中从士兵身上采集的）转换为更详细的三维身体模型，五角大楼应该能够在实际制造之前通过各种模拟运行虚拟装备。这些模型将允许进行分析，以更准确地反映该部门100多万现役和预备役人员的不同身体状况，而不是为平均身材的士兵进行测试和建造。

摘译自《国际防务、安全与技术》，2023年1月11日。

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来源：望穹科技