隨著全球數(shù)字化進(jìn)程加速演進(jìn)，三維重建技術(shù)如同一座橋梁，連接著物理世界與虛擬世界的廣闊天地。何為三維重建？它是如何將紛繁復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界，轉(zhuǎn)化為可漫游、可交互的數(shù)字空間？又都在哪些行業(yè)和場景中綻放出耀眼的光芒？

什么是三維重建？

從行業(yè)視角看三維重建

三維重建（3D Reconstruction）是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，從二維圖像或其他數(shù)據(jù)源中生成三維模型的過程。VR需要構(gòu)建虛擬的數(shù)字空間，而三維重建技術(shù)正是對(duì)空間最完整、最深度信息采集的技術(shù)方案。

如視的三維重建探索

如視當(dāng)下正在做的三維重建，是采集真實(shí)的空間深度信息（包括場景中物體的形狀、大小以及它們之間的空間位置關(guān)系等），結(jié)合RGB相機(jī)（一種色彩還原度高、能夠采集詳細(xì)光譜信息的彩色相機(jī)）采集的圖像信息，經(jīng)由算法融合后構(gòu)建1:1真實(shí)還原的三維模型的結(jié)果，如視軟硬一體的三維重建解決方案就是在此基礎(chǔ)上形成的。

由此得到的三維模型中，會(huì)包含豐富的語義信息，我們將之稱為潛藏?cái)?shù)據(jù)。而如視將通過深度學(xué)習(xí)算法，進(jìn)一步挖掘采集生成的VR產(chǎn)物，從中獲取包括空間結(jié)構(gòu)信息、文字信息、物體信息、材質(zhì)信息、光照信息等在內(nèi)的潛藏?cái)?shù)據(jù)并應(yīng)用。

與三維重建共生共榮

三維重建是如視的核心技術(shù)能力，基于線下采集空間數(shù)據(jù)，如視通過自動(dòng)建模、智能空洞填補(bǔ)、全自動(dòng)數(shù)據(jù)提取、HDR 優(yōu)化等三維重建技術(shù)將全部數(shù)據(jù)及圖片紋理精準(zhǔn)映射到三維模型上，在數(shù)字世界還原真實(shí)的三維空間。

作為數(shù)字空間綜合解決方案引領(lǐng)者，如視自誕生起便深耕三維重建領(lǐng)域， 多年來，如視為全行業(yè)提供三維空間的采集、重建、展示能力，打造低成本、高效、有針對(duì)性的 VR 空間應(yīng)用解決方案。

如視通過自研，實(shí)現(xiàn)了軟硬一體的三維重建全流程解決方案。

多樣的空間數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品

如視產(chǎn)品矩陣已經(jīng)完全覆蓋了超大、大、中、小，空間、物體全場景的三維重建，能夠提供高效、低成本、穩(wěn)定的空間數(shù)據(jù)采集方案，滿足千行百業(yè)的三維重建需求。

強(qiáng)大的算法能力

如視通過強(qiáng)大的算法能力，打造自動(dòng)化處理全流程，讓整個(gè)三維重建過程無需任何人工干預(yù)，為客戶提供高效的三維重建能力。同時(shí)，通過如視特有的基于數(shù)字空間的AI能力，如視為用戶提供自動(dòng)平面圖、空間物體識(shí)別等多樣性的衍生產(chǎn)物。

豐富的產(chǎn)物數(shù)據(jù)編輯系統(tǒng)

為滿足用戶的多元化、個(gè)性化需求，如視打造了一套功能豐富強(qiáng)大的編輯系統(tǒng)，讓客戶可以對(duì)產(chǎn)物數(shù)據(jù)進(jìn)行加工編輯。

靈活的場景應(yīng)用解決方案

如視構(gòu)建了一套跨越多行業(yè)、多業(yè)態(tài)的數(shù)字空間綜合解決方案，全面響應(yīng)并賦能千行百業(yè)的數(shù)字空間應(yīng)用需求。同時(shí)如視也提供了多樣靈活的部署方案，全方位支持客戶的多元化應(yīng)用場景。

如何進(jìn)行三維重建？

三維重建步驟

一般而言，三維重建需要經(jīng)過圖像生成深度圖、深度圖生成點(diǎn)云、點(diǎn)云處理、網(wǎng)格重建、網(wǎng)格處理、紋理映射等步驟。

圖像生成深度圖

三維重建的第一步，是從知道每個(gè)點(diǎn)到相機(jī)的距離開始。而深度圖像就是一張?zhí)厥獾恼掌厦婷總€(gè)點(diǎn)的顏色深淺，代表了它在現(xiàn)實(shí)中的位置到觀察點(diǎn)所在垂直平面的真實(shí)距離。

深度圖生成點(diǎn)云

點(diǎn)云是空間中代表3D形狀或?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)點(diǎn)集合，數(shù)據(jù)集中的每個(gè)點(diǎn)代表一組X、Y、Z幾何坐標(biāo)。在這一步中，電腦會(huì)根據(jù)深度圖像中的距離信息畫出許多“小點(diǎn)點(diǎn)（點(diǎn)云）”，它們代表了空間內(nèi)所有3D形狀或?qū)ο蟮奈恢谩?/p>

點(diǎn)云處理

之后，我們需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理和優(yōu)化，提高后續(xù)三維重建的準(zhǔn)確性和效率，如去除點(diǎn)云中的噪聲、離群點(diǎn)等無用或干擾數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的純凈度和準(zhǔn)確性等。

網(wǎng)格重建

網(wǎng)格是點(diǎn)云的一種簡化的表達(dá)形式，在三維重建中表示多面體形狀的頂點(diǎn)與多邊形的集合，這些網(wǎng)格通常由三角形、四邊形或者其它的簡單凸多邊形組成。網(wǎng)格重建，就是要把剛才獲取的“小點(diǎn)點(diǎn)”連接起來，形成“小面片（網(wǎng)格）”，這些面片（網(wǎng)格）組合起來就像是房間或者物體的外殼，讓房間或物體看起來更有立體感。

網(wǎng)格處理

為了進(jìn)一步提高模型的質(zhì)量，接下來需要對(duì)初步生成的網(wǎng)格模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，比如去除網(wǎng)格中的尖銳邊緣和不平整表面，讓模型更加平滑和自然等。

紋理映射

紋理是一張圖片，可以根據(jù)特征映射貼在網(wǎng)格表面上。通過紋理映射給網(wǎng)格加上紋理后，諸如房間的墻紙、地板的顏色等內(nèi)容就會(huì)顯現(xiàn)出來，模型就會(huì)變得更加真實(shí)。

3D模型

網(wǎng)格和紋理全部組合在一起，就得到了一個(gè)完整的三維模型，它將支持我們的隨意旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等。

如視的創(chuàng)新與優(yōu)化

如視的三維重建，與一般的三維重建步驟差別不大，但在深度圖和點(diǎn)云的生成上有兩種方式。

圖像生成深度圖，深度圖轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云

人類通過兩個(gè)眼睛的視差來實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的估算，但事實(shí)上我們用單個(gè)眼睛也可以大致估算出距離，這是因?yàn)槲覀兊拇竽X已經(jīng)記住了一些規(guī)律，比如近處的遮擋遠(yuǎn)處、近處的體積看似大于遠(yuǎn)處等。

利用這一原理，如視通過積累的數(shù)百萬專業(yè)設(shè)備掃描的三維數(shù)據(jù)集，以全景圖為輸入、深度信息為標(biāo)注（答案）訓(xùn)練出"單目圖像深度估算"Al模型——Cyclops，實(shí)現(xiàn)無需深度傳感器、僅采集空間圖像即可實(shí)現(xiàn)三維重建。Cyclops的誕生，推動(dòng)了如視輕量級(jí)和消費(fèi)級(jí)VR采集產(chǎn)品的誕生，讓VR 拍攝進(jìn)入大眾的日常生活。

借助累積的百萬套真實(shí)空間數(shù)據(jù)，2019年11月Cyclops的推測誤差率突破性地達(dá)到4.23%，超越了學(xué)界水平，隨著采集矩陣的完善，到2023年4月，Cyclops算法誤差進(jìn)一步降至1.35%。

傳感器（激光掃描儀）直接采集深度圖/點(diǎn)云

我們向某物體發(fā)射一束光，并通過接收裝置測量光線反射或散射回來的時(shí)間差，就可以直接計(jì)算出物體離我們有多遠(yuǎn)，得到物體的深度信息。如果再配上一個(gè)角度測量裝置，測量光線發(fā)射的角度，結(jié)合已知的距離信息，就能直接得到該物體的空間坐標(biāo)。而當(dāng)我們利用傳感器，同時(shí)向某場景發(fā)射無數(shù)道光，就能得到場景中各點(diǎn)的空間信息，也就是它們離傳感器有多遠(yuǎn)、具體在哪個(gè)角度等，并據(jù)此直接繪制出精準(zhǔn)的深度圖和點(diǎn)云。

這種采集方式在空間數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性、便捷性、抗干擾性等方面具備顯著優(yōu)勢，如視旗下的專業(yè)級(jí)激光VR掃描儀“伽羅華（Galois）”，就利用了這一原理。伽羅華在采集過程中顯示出卓越的環(huán)境適應(yīng)性，并能夠精確捕捉空間內(nèi)的每一處細(xì)節(jié)，讓大空間和超大空間三維重建變得輕松與高效，為專業(yè)人士提供無以倫比的便利體驗(yàn)。

三維重建質(zhì)量影響因素剖析

三維重建的質(zhì)量受到多種因素的影響，包括深度數(shù)據(jù)質(zhì)量、點(diǎn)位拼接、操作規(guī)范、語義信息等。

深度數(shù)據(jù)質(zhì)量

深度數(shù)據(jù)是三維重建的基石，其質(zhì)量直接決定了三維模型的準(zhǔn)確性和精細(xì)度。

如視目前已有的兩款專業(yè)級(jí)空間采集產(chǎn)品——激光VR掃描儀“伽羅華”和手持實(shí)景掃描儀“龐加萊”——都采用激光雷達(dá)傳感器，其產(chǎn)物質(zhì)量受傳感器精度影響；此外，龐加萊因?yàn)椴捎昧薙LAM技術(shù)（同時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，一種通過傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)估計(jì)自身位置并構(gòu)建環(huán)境地圖的技術(shù)），其質(zhì)量還與其使用的IMU（慣性測量單元，一種集成了多種慣性傳感器的裝置，用于測量和跟蹤物體的加速度和角速度）、相機(jī)等質(zhì)量有關(guān)；而輕量級(jí)產(chǎn)品全景相機(jī)、Realsee G1智能云臺(tái)和消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品如視VR APP，其產(chǎn)物質(zhì)量與深度推測質(zhì)量相關(guān)，目前誤差為1.35%。

點(diǎn)位拼接

定點(diǎn)式掃描設(shè)備點(diǎn)位拼接是利用多點(diǎn)位采集到的彩色圖像和深度信息，通過提取特征尋找相似的匹配點(diǎn)位，并計(jì)算相對(duì)位置和姿態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)位之間的精確拼接，簡單來說就是將多個(gè)點(diǎn)位采集到的深度數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。

操作規(guī)范

包括掃描密度、手動(dòng)拼接、特征工具等在內(nèi)的人工操作規(guī)范與否，會(huì)極大程度上影響三維重建的產(chǎn)物精度，作業(yè)人員需要按照規(guī)范操作步驟，合理設(shè)置點(diǎn)位進(jìn)行采集。

語義信息

語義信息是指對(duì)三維模型中各元素（如物體、場景等）的識(shí)別和標(biāo)注，在三維重建過程中引入一些標(biāo)注的或自動(dòng)識(shí)別的語義信息，不僅可以提高模型的語義豐富度，還有助于提高模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

三維重建用在哪里？

三維重建的無限可能

三維重建技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、影視制作、游戲開發(fā)、考古研究、文物保護(hù)、醫(yī)療影像、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等諸多領(lǐng)域。隨著基于深度學(xué)習(xí)的三維重建方法突破傳統(tǒng)界限，開始處理更加復(fù)雜的場景重建任務(wù)，三維重建技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度將不斷拓展。

如視的三維重建產(chǎn)物

如視的三維重建技術(shù)，不僅能夠精準(zhǔn)捕捉并還原真實(shí)世界的每一個(gè)細(xì)節(jié)，還能將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為豐富多樣的產(chǎn)物，包括全景圖、點(diǎn)云、模型等各個(gè)格式的導(dǎo)出，以及視頻、截圖等營銷物料的下載，滿足不同用戶群體的多元應(yīng)用需求。

以三維重建推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)化

如視通過覆蓋了超大、大、中、小空間、物體等多行業(yè)、全場景的三維重建能力，為企業(yè)的線上營銷、空間運(yùn)維、數(shù)字化管理等提供有效助力。目前，如視的三維重建技術(shù)已經(jīng)成功滲透并深度服務(wù)工業(yè)園區(qū)、商業(yè)零售、文博會(huì)展、酒旅餐飲等九大行業(yè)，應(yīng)用范圍覆蓋營銷推廣、內(nèi)部管理、人員引導(dǎo)、模擬培訓(xùn)等諸多場景，引領(lǐng)千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

結(jié)尾

三維重建技術(shù)作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要工具，正以前所未有的速度重塑著人類的生活方式。而如視正在以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以用戶需求為導(dǎo)向，持續(xù)加速三維重建技術(shù)迭代和產(chǎn)品升級(jí)，為千行百業(yè)提供更加高效、精準(zhǔn)的三維重建解決方案。

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