基于數(shù)字攝影測量技術(shù)的三維建模

基于數(shù)字攝影測量技術(shù)的三維建模許麗雯廣州城市職業(yè)學(xué)院

廣東廣州

510000【摘要】為了對制造業(yè)信息化的發(fā)展起到有效的推動作用，必須要對機械三維建模進行不斷的研究和創(chuàng)新。隨著軟件工程技術(shù)的不斷進步，在CAE/CAM/CAD等各種較為成熟的商業(yè)軟件的有效帶動下，三維建模技術(shù)使機械產(chǎn)品的設(shè)計理念得到了根本的改變，工程設(shè)計人員的設(shè)計方向開始從傳統(tǒng)的二維空間逐漸的向三維空間進行轉(zhuǎn)變。因此必須要針對機械三維建模進行分析和探討?！娟P(guān)鍵詞】數(shù)組攝影測量；三維建模；紋理映射

引言在機械行業(yè)當(dāng)中對三維建模技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使產(chǎn)品的設(shè)計出現(xiàn)了極大的變革。現(xiàn)在世界上很多發(fā)達國家都在對三維模型的構(gòu)建與應(yīng)用進行不斷深入的研究。當(dāng)今社會的數(shù)字化程度變得越來越高，與此同時，在進行機械制造的時候包含的信息必須要表現(xiàn)出三維世界，而不可以只是停留在二維的基礎(chǔ)上，這不僅僅是技術(shù)的不斷進步，更是時代的必然要求。

三維3D建模概述三維建模技術(shù)在現(xiàn)代工程設(shè)計過程當(dāng)中是一種基于特征的參數(shù)化設(shè)計方式，其不急呢具有特征建模的優(yōu)勢，同時還具有參數(shù)建模的特征。三維3D建?？梢詣討B(tài)的修改和顯示三維幾何模型，而且工程設(shè)計人員的意圖也可以從對尺寸的重新標(biāo)注當(dāng)中被反映出來，這樣就能夠促進三維3D建模效率的極大提升，現(xiàn)在針對三維數(shù)字模型進行建模主要包括以下幾個方面的技術(shù)：首先是對三維制作軟件予以直接的使用，其中包括對三維動畫設(shè)計軟件以及計算機輔助軟件等工具的運動進行建模，采取這種技術(shù)能夠?qū)C械的材質(zhì)特征以及結(jié)構(gòu)逼真的表示出來，從而能夠使包括構(gòu)想、交互以及沉浸在內(nèi)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本上得到滿足，尤其是其針對機械當(dāng)中不規(guī)則的形狀以及零件等具有非常好的效果。然而如果機械的組成比較復(fù)雜，針對其中的每個模型都采用這種方式進行建模，不僅會浪費資金，還具有費時以及費力的特點[1]。其次是對傳統(tǒng)GIS的二維線劃數(shù)據(jù)進行直接利用，采取這種技術(shù)可以將相應(yīng)的紋理加在建筑物表面上，然而采用這種技術(shù)具有較大的局限性。最后是在進行三維建模的時候?qū)?shù)字攝影測量技術(shù)進行充分的運用，采用這種技術(shù)具有一系列的優(yōu)點，其中包括容易進行實時更新、具有較快的建模速度以及具有較高的自動化程度等特點。通過對數(shù)字攝影測量技術(shù)的充分運用能夠?qū)⒎浅？焖僖约氨憬莸拈_展建立3DCM、建立數(shù)字高程模型(DEM)、測繪數(shù)字線劃矢量圖(DLG)以及制作數(shù)字正射影像圖(DOM)等各項工作，在必要的情況下還能夠?qū)C械存在的紋理進行提取，從而將紋理庫建立起來。利用這些技術(shù)，能夠?qū)C械產(chǎn)品的三維3D模型建立起來，可以通過動力學(xué)仿真、運動學(xué)仿真以及有限元分析針對結(jié)構(gòu)進行全面的綜合分析設(shè)計[2]。

機械三維建模當(dāng)中數(shù)字測量技術(shù)的運用在進行機械三維建模過程中數(shù)字攝影技術(shù)主要包括以下幾個步驟：①首先要對相機參數(shù)以及機械控制點坐標(biāo)等必要的參數(shù)數(shù)據(jù)進行獲取，也包括數(shù)字攝影得到的各種影像文件。②采用初始化的方式針對模型進行處理，同時還要針對各種參數(shù)進行設(shè)置，其中存在的每一個模型都屬于一個像對。③定向處理模型：其中包括絕對定向、相對定向以及內(nèi)定向等。進行內(nèi)定向的目標(biāo)除了要對及數(shù)字影像可能存在的變形予以確定之外，還要對像片坐標(biāo)以及坐標(biāo)系之間存在的關(guān)系予以確定。在影像數(shù)字化過程中會出現(xiàn)數(shù)字影像之變形，其大部分為仿射變形。像片坐標(biāo)以及坐標(biāo)系之間存在的關(guān)系可以用以下的公式來表示x=(m2J+m1I+m0)Δy=(n2J+n1I+n0)Δ在公式當(dāng)中，像片坐標(biāo)系的坐標(biāo)用x，y來表示，而其中的6個仿射變形參數(shù)則為n2、n1、n0、m2、m1以及m0；掃描坐標(biāo)系的坐標(biāo)則用I，J來表示；采樣間隔用Δ來表示[3]。為了使兩張可以構(gòu)成立體像對的像片相對方位能夠恢復(fù)，就需要采取相對定向的方法針對被攝物體的模型予以有效的建立，滿足條件的相應(yīng)的攝影光線與基線就是其數(shù)字模型。④影像匹配預(yù)處理的方法。在自動影像匹配前的預(yù)處理就是所謂的影像匹配預(yù)處理，其主要是處理其中一些匹配過程中具有較大困難的機械部位，同時其還可以針對一些具有不同灰度和色彩、影像質(zhì)量較差的部件進行處理。這是由于這些部件可能會產(chǎn)生不好的匹配效果，所以需要在影像匹配前預(yù)處理，最終能夠產(chǎn)生更好的匹配效果，這樣就能夠使匹配編輯的大量工作得到最大限度的減少，并且促進工作效率的提升。⑤在將核線影像形成之后，就要將同名點確定下來，并且對影像匹配方法進行合理的選擇，完成自動匹配的工作之后，就要編輯相應(yīng)的匹配結(jié)果，最終將不可靠點剔除掉。

構(gòu)建三維模型的方法三維模型的準(zhǔn)確性和效率將直接影響到其可操作性和建造周期。下面列舉四個具有代表性的模型：第一，利用航拍技術(shù)進行三維造型。利用航拍技術(shù)，可以在立體環(huán)境中迅速、精確地獲得建筑物等三維數(shù)據(jù)的位置、形狀和高度，并利用外部的紋理數(shù)據(jù)和正反射圖像的頂部信息來建立精確的三維模型。成熟的DEM資料和DOM資料制作技術(shù)路線能夠迅速再現(xiàn)三維場景中的地貌資料，并能更好地再現(xiàn)城市的風(fēng)貌。第二，利用激光雷達進行掃描，可以迅速獲得建筑物和地面的圖像，但這樣做需要大量的數(shù)據(jù)，需要大量的人工干預(yù)，這樣的話，就不會有任何顏色。第三，采用平面規(guī)劃圖等二維數(shù)據(jù)，采用AutoCAD和3DSMax等軟件構(gòu)建三維模型，但由于采集數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)具有時間上的不確定性，而且由于建筑頂部的紋理有死角，因此獲得的高程數(shù)據(jù)也比較困難。用這種方法構(gòu)建的三維模型，不會有任何顏色的質(zhì)感。第四，SWDC-5和SSW-2機載模型測量系統(tǒng)是由劉先林院士在“中國數(shù)字城市技術(shù)研討會”上提出的。4.基于數(shù)字攝影測量技術(shù)的三維建模方法利用數(shù)碼照相技術(shù)進行三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，具有以下特點：一是采集、加工；配制等均采用數(shù)碼方式，將攝影測量的全部過程用電腦完成，并覆蓋了傳統(tǒng)照相測量的全部過程。第二，數(shù)碼影像測量技術(shù)可以幫助設(shè)計者迅速地構(gòu)建出地面建筑物的幾何、高程數(shù)據(jù)，具有較高的幾何精度和較快的成像速度；地面建筑物的幾何精度可達厘米，易于更新，可用于大型工程、全國范圍的資料收集，為數(shù)字城市、數(shù)字地球等提供基本的數(shù)據(jù)架構(gòu)。第三，利用數(shù)碼影像技術(shù)對城市的三維建模，與一般的電腦動畫和模擬景觀的區(qū)別在于，利用建筑的三維空間坐標(biāo)，建立了一個城市的三維空間模型。該三維地形模型資料中，各建筑的空間位置關(guān)系與實際情況基本一致，并能測量出任意一點的三維空間坐標(biāo)，具有測繪水平的精度。采用數(shù)字攝影測量技術(shù)的數(shù)字沈陽三維建模技術(shù)路線如下圖所示：技術(shù)路線圖該工程使用DMC全數(shù)碼航攝相機進行航拍，取得了1∶5000航拍和0.06m影像地面分辨率。通過DATMatrix軟件，將采集到的圖像數(shù)據(jù)和外業(yè)象控數(shù)據(jù)進行空間三次加密，得到了外業(yè)測量所需的外向角和加密點的坐標(biāo)。DEM是數(shù)字城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)資料。該項目使用空間三加密后的資料，在MapMatrix軟件中自動建立三維模型，檢查相對定向和絕對定向精度，并產(chǎn)生大地核線，自動匹配，生成5米格網(wǎng)DEM檔案。在匹配編輯窗口內(nèi)，根據(jù)工作指示對等視差線或等高線進行編輯，使所有的曲線都貼近地面，最終生成DEM，并對DEM進行接縫檢驗和處理。數(shù)碼照相測量系統(tǒng)能完成正向圖像的校正、馬賽克、切割等。通過DEM和DOM的疊加，可以得到一個城市的立體地貌。該工程采用DEM進行正焦校正，校正后的航片在EPT上進行，均勻化；均勻光，調(diào)整編輯拼接線的拼接圖像。根據(jù)圖像的座標(biāo)進行裁剪。三維模型區(qū)域背景圖是一種DOM產(chǎn)品，該工程在該工程中對地面進行了真實的射流生產(chǎn)。不同于一般的數(shù)碼正射圖像產(chǎn)品，它使用的是3D建模區(qū)的背景圖，它將全部建筑的中心投影校正，以確保沒有投影誤差。采用全數(shù)碼攝影測量技術(shù)，實現(xiàn)了三維空間中建筑物的幾何特性數(shù)據(jù)的獲取。由照相測量系統(tǒng)獲取的建筑物向量資料，是建立三維模型區(qū)域的背景地圖的數(shù)學(xué)依據(jù)，通過對正射圖像的修正，可以消除建筑物的投影誤差。城市真實立體景觀模型是利用大尺度航空攝影技術(shù)，利用數(shù)碼攝影技術(shù)，準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)，并提取建筑局部的紋理，并利用相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)對建筑的建模?；灸Ｐ偷慕?。在MapMatrix的三維環(huán)境中，根據(jù)《沈陽三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)設(shè)計書》中的規(guī)范，采用空間三的加密資料，對房屋的屋頂和橋梁進行了相應(yīng)的平面幾何、高度測量，并在MapMatrix上建立了相應(yīng)的空間坐標(biāo)測量方法。采用相關(guān)軟件，通過獲取的向量線進行三維建模。提取屋頂紋理。根據(jù)需要對圖像進行調(diào)暗處理，然后用相應(yīng)的軟件將圖像和基本模型中的名稱點進行匹配，并使其符合標(biāo)準(zhǔn)，然后由軟件自動抽取建筑頂部的紋理。采集外業(yè)紋理。采用手持式數(shù)字照相機，在野外采集的基礎(chǔ)上，對測量區(qū)域內(nèi)的建筑物的表面紋理進行了提取。在野外拍攝貼圖時，必須用照相機清晰地記錄每一棟建筑的外貌，同時確保鄰近建筑物的材質(zhì)接觸面。在采集的時候，要有整個建筑的紋理效應(yīng)和局部的放大紋理效應(yīng)，要對特征建筑和建筑的局部特征進行細致的記錄。3D建模。沈陽三維GIS的三維建模方法主要有：地形建模；建筑模型、道路模型、植被模型、市政設(shè)施模型、精細模型、標(biāo)準(zhǔn)模型三個層次。沈陽城區(qū)的大規(guī)模三維模型需要在很短的時間內(nèi)進行，這不僅需要建立模型的速度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于地形、道路、植被模型等模型的構(gòu)造較為簡單，而建筑物模型和市政設(shè)施模型則較為復(fù)雜，因此本文將3DSMax與MultiGenCreator相結(jié)合，利用MultiGenCreator實現(xiàn)地形模型、植被模型、道路模型、三維模型、城市設(shè)施模型。3.建立地形以及地物的三維模型3.1紋理映射的建模方式①機械模型表面：由于機械的表面具有較為復(fù)雜的構(gòu)造，如果采用三維模型針對這些建筑物模型的細節(jié)進行表示，就會使模型的復(fù)雜度以及數(shù)據(jù)量得到極大的增加。而采用紋理映射的方法針對其中的細節(jié)進行模擬，就可以將這個問題解決掉。②不規(guī)則的機械部件：要想促進模擬逼真度的提升就必須要針對機械當(dāng)中的各個部件進行模擬。而采用紋理映射技術(shù)能夠?qū)⑦@些機械部件很好的模擬出來，從而能夠有效的平衡運行速度以及逼真度。3.2幾何形態(tài)建模的方式①機械形狀建模的方式；首先將數(shù)字機械模型(DTM)建立起來，然后以定向元素為根據(jù)針對同名點的機械表面坐標(biāo)(Z，Y，X)等計算出來，隨后將DTM網(wǎng)格點高程內(nèi)插進去，就可以將DEM和等高線形成。②機械部件的方式：a.自動生成機械部件：在機械部件的輪廓范圍被檢測出來之后，利用立體匹配生成的DEM就可以對其進行插值，在候選機械部件輪廓內(nèi)的一點與匹配點相對應(yīng)的情況下，就可以使輪廓當(dāng)中的點被匹配點DEM信息賦值。利用該方法就能夠?qū)C械部件在機械相機影像當(dāng)中的三維信息獲得。b.對三維制作軟件予以直接使用：采用3DMAX以及AUTOCAD等軟件能夠?qū)⒈普娴娜S模型直接制作出來，尤其是針對一些不規(guī)則的機械部件等會具有更好的效果[4]。③復(fù)雜實體的建模方式：要想將機械部件更形象以及準(zhǔn)確的顯示出來，必須要對比較復(fù)雜的機械部件予以充分的考慮?？梢韵葘蝹€的機械部件的模型建好，然后在已經(jīng)完成的三維模型當(dāng)中將這些單個模型插入其中，就能夠完成。但是雖然能夠非常逼真的建立單個模型，但是卻具有非常大的工作量，而且為了保證復(fù)雜實體美觀的實現(xiàn)，這些軟件通常還具備較大的數(shù)據(jù)量，從而使自身的速度受到了影響。在這種情況下可以采用3DGIS軟件來進行建模，其能夠?qū)蝹€模型快速而方便的建立起來。

結(jié)語在進行三維建模的時候采用數(shù)字攝影測量技術(shù)具有一系列的優(yōu)勢，其具有十分豐富的數(shù)據(jù)源信息，有大量的空間數(shù)據(jù)包含在機械三維圖像當(dāng)中，而且還具備圖像數(shù)據(jù)；同時其具有越高的自動化程度以及建模速度，就會出現(xiàn)越大的三維建模規(guī)模，這樣就能夠?qū)⑵鋬?yōu)越性充分的顯示出來；最后其還能有效的進行更新。所