最近几个月，关于人工智能的讨论似乎无处不在。人工智能近期如此火爆的一个主要原因是，在某种程度上，OpenAI（ChatGPT 的开发者）和其他同行即将解决，或至少大大缓解了在计算、生物和机械科学中被称为“速度-精度权衡”(SAT) 的大难题。
当今现代化的人工智能已足够快速和准确（尽管还远未达到完美的程度），利用计算机高速数据检索模仿人类交流，速度和准确性接近自然对话。在 3D 激光扫描及其相关分支（如全景 360° 摄影和摄影测量）中同样体现了速度和精度之间的权衡和取舍。
在传统的三维现实捕捉中，可能需要几分钟的时间来捕捉高精度扫描，而处理信息和注册点云数据的时间要比这长很多。精度的获得是以牺牲速度为代价。对于任何希望完成大规模扫描的公司来说，这可能意味着潜在的业务损失。另一方面，全景相机可以以极快的速度捕捉图像，但相应的数据远不如 3D 点云详细。速度的获得是以牺牲精度为代价。
但是，如果人工智能研究表明“速度-精度权衡”难题的解决已经胜利在望，那么下一个倒下的数字多米诺骨牌是什么呢？三维激光扫描行业不甘落后，在建筑、工程、施工和运维的三维可视化，以及公共安全事故前规划等应用领域，也摩拳擦掌准备解决这一难题。
扫描需求日益增长
如今，那些负责归档和整理完工文件的人员也在不断寻找更快、更好、更简单的方法来完成工作。他们希望能够简化任务和工作流程，同时又不希望牺牲质量换取速度或者牺牲速度来换取质量。
他们为什么要追求这种速度与精度的“鱼和熊掌兼得”呢？因为整个专业测量服务行业有大量的工作等待处理。如果 BIM 模型不准确或者图像采集和处理速度太慢，就需要耗费大量的时间、金钱、人力和技术资源。该行业需要扫描大型建筑物的内部和外部，这是全球共性的工作；从业人员需要绘制和测量发电厂等工业设施，需要协助警察和执法部门进行事故前规划，需要协助专业承包商和总承包商推进工程项目，需要为设施经理/业主提供跟踪建筑运营情况所需的实时设施管理信息，并改进和清除他们发现的任何低效环节。
正如预期的那样，解决“速度-精度权衡”难题，最终形成了两条不同的路径—移动扫描产品和安装在三脚架上的静态 3D 激光扫描仪。
但这一发展并没有真正结束 SAT 的“战斗”，而是开辟了两个相互竞争的影响领域。2021 年，在希腊罗得岛举行的欧洲建筑计算会议上，剑桥大学分享了进行的一项重复性研究成果（其中包括一台 FARO Focus 激光扫描仪），证实移动扫描虽然速度快，但精度不如静态扫描高。
该论文的结论部分节选如下：
“我们的实验表明，随着与目标物距离的增加，以每秒点数计量的扫描目标密度呈指数级下降，在这方面，移动扫描仪的表现优于静态测绘设备。在精度方面，趋势则正好相反。静态扫描仪产生的噪点至少比移动设备扫描低 20 倍。虽然所有的设备，在 40 米距离的范围内，都能满足建筑勘测、地形测量和低精度放线等使用场景的精度要求，但诸如工程测量等更高精度要求，则只能用静态扫描仪来完成。”
混合计算 2.0
如果说人类和计算机在 1960 年代被 NASA 视为“混合型算力”（人力“计算员”之所以被用来处理关键的发射和重返数据，部分原因是该航天局的主机 IBM 7090 虽然比人类快，但不如人类准确），那么三维现实捕捉混合模式则意味着两种类型的数字格式的组合，可同时获得移动扫描的最佳质量与静态现实捕捉的最佳质量。
这个组合正在形成一项新的技术，并正处于专利权有效期中。借助这种混合技术，全景图像中所包含数据的算法合并与静态 3D 点云相结合，通过 360° 相机捕获的数据增强了较低分辨率的 3D 激光扫描。结果是，速度和精度第一次不再彼此迁就。
3D 扫描解决方案的下一步是合并移动扫描和静态扫描，同时将精度和速度的损失降到最低。这项技术比传统激光扫描工作流程速度加快高达 50％，意义非同寻常。而且它以非常经济实惠的价格，达致了现场生产力、可预测的精度和最先进视觉清晰度的最佳综合效果。
这种结合的好处很明显：
- 扫描的精度有所降低，但其速度明显快于传统扫描。
- 360° 图像，增强了密度较低的数据集，以确保项目的完成，加速工作流程
- 每周节省一整天的时间，可以进行额外的扫描（提升速度了，节省了时间，能够执行本不可能完成的更多额外扫描操作），确保更完整和全面的项目。
- 彩色图像使用户能够更清晰地看到物体的边缘和角落，更轻松地识别已定义的几何形状，从而在其他软件中更好地进行分析和执行。
开创了 3D 激光扫描行业今日格局的那一场技术创新固然是发端性的革命—第一台激光扫描设备于 1960 年代研发成功，使用了灯、相机和投影仪来扫描物体，但既费时又容易出错—将静态扫描数据和移动 360° 图像相结合而不损失速度和精度，则是一场更为深刻的革命。
与传统扫描相比，现实捕捉解决方案的速度可提升高达 50％，几乎不会损失数据质量，这意味着依赖大规模扫描的行业，从建筑、工程、施工、运维乃至公共安全，现在将有一种快速、准确、可靠的方式进行数千次扫描，并使用这些数据来推动业务成果或实现情境结果，例如快速扫描大型建筑物的入口和出口点或障碍物的位置。考虑到全球建筑总数大约能到 1000 亿栋，其中相当数量为大体量建筑，可以想见，加速物理世界向数字世界转变，意味着多么巨大的空前机会。
就好像 NASA 计算员可以利用 Frontier 这台当今世界最快的计算机进行计算一样，每秒可以完成百万的三次方次浮点运算，且保证结果 100% 准确。
新的科技前沿
无论是物理、生物、机械，还是在计算/数字领域，它们的前沿边界都在被当今最快的计算机和越来越智能的算法所推展，从东地中海新月沃土地区人类早期文明出现第一批城市直到如今，科技不断推陈出新的步伐从未停歇。只要人类于世间繁衍，就需要建造各种大型复杂的建筑物，就需要快速准确的建造组装和长时段的项目监管。对于公共安全而言，在最坏情况发生之前防患未然的需求就永远存在。
有了这两个现实条件，3D 激光扫描将继续发展。不仅速度和精度会提高，而且设备的尺寸、重量和体积也会继续减小。虽然基于应用的 LiDAR 扫描不在本文讨论范围之内，但通用技术的进步，使得扫描设备不会比智能手机或平板电脑大，才是未来的最终方向。
如果考虑到量子计算可能开创的前景—世界上第一台拥有超过 1,000 个量子位的通用量子计算机将于今年晚些时候由 IBM 推出—新科技前沿的拓展，可能会在未来几十年内，让速度-精度权衡难题变得不值一提。
不过，就目前而言，3D 激光扫描行业刚刚开始利用 Hybrid Reality Capture 这项突破性技术。速度与精度的权衡，长期以来一直是各个学科面临的基础性痛点，越来越成为亟待解决的挑战。著名的英国科幻作家亚瑟·C·克拉克 (Arthur C. Clarke) 有一句广为人知的名言：“在任何一项足够先进的技术和魔法之间，我们无法做出区分。”
这当然是真知灼见，然而克拉克的这句名言并没有表达出魔法可以令人多么心潮澎湃、激动万分，如果你是帮助将“魔法”变为现实的梦想家一员，你一定会深以为然。
关于作者：
Oliver BürklerOliver Bürkler 是 FARO Technologies, Inc. 的激光扫描部门总监。他在德国慕尼黑的应用科学大学获得了精密工程和工商管理与工程硕士学位。作为 FARO 3D 激光扫描仪产品管理团队的成员，Bürkler 专注于 FARO 3D 文档硬件的开发和相关的创新。
对这项新技术以及您的工作流程会如何受益感到兴奋和期待吗？