基于数字摄影测量技术的三维建模

基于数字摄影测量技术的三维建模

许丽雯

广州城市职业学院 广东广州 510000

【摘要】为了对制造业信息化的发展起到有效的推动作用，必须要对机械三维建模进行不断的研究和创新。随着软件工程技术的不断进步，在CAE/CAM/CAD等各种较为成熟的商业软件的有效带动下，三维建模技术使机械产品的设计理念得到了根本的改变，工程设计人员的设计方向开始从传统的二维空间逐渐的向三维空间进行转变。因此必须要针对机械三维建模进行分析和探讨。

【关键词】数组摄影测量；三维建模；纹理映射

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1. 引言

在机械行业当中对三维建模技术的广泛应用，使产品的设计出现了极大的变革。现在世界上很多发达国家都在对三维模型的构建与应用进行不断深入的研究。当今社会的数字化程度变得越来越高，与此同时，在进行机械制造的时候包含的信息必须要表现出三维世界，而不可以只是停留在二维的基础上，这不仅仅是技术的不断进步，更是时代的必然要求。

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2. 三维3D建模概述

三维建模技术在现代工程设计过程当中是一种基于特征的参数化设计方式，其不急呢具有特征建模的优势，同时还具有参数建模的特征。三维3D建模可以动态的修改和显示三维几何模型，而且工程设计人员的意图也可以从对尺寸的重新标注当中被反映出来，这样就能够促进三维3D建模效率的极大提升，

现在针对三维数字模型进行建模主要包括以下几个方面的技术：

首先是对三维制作软件予以直接的使用，其中包括对三维动画设计软件以及计算机辅助软件等工具的运动进行建模，采取这种技术能够将机械的材质特征以及结构逼真的表示出来，从而能够使包括构想、交互以及沉浸在内的虚拟现实技术基本上得到满足，尤其是其针对机械当中不规则的形状以及零件等具有非常好的效果。然而如果机械的组成比较复杂，针对其中的每个模型都采用这种方式进行建模，不仅会浪费资金，还具有费时以及费力的特点^[1]。

其次是对传统GIS的二维线划数据进行直接利用，采取这种技术可以将相应的纹理加在建筑物表面上，然而采用这种技术具有较大的局限性。

最后是在进行三维建模的时候对数字摄影测量技术进行充分的运用，采用这种技术具有一系列的优点，其中包括容易进行实时更新、具有较快的建模速度以及具有较高的自动化程度等特点。通过对数字摄影测量技术的充分运用能够将非常快速以及便捷的开展建立3DCM、建立数字高程模型(DEM)、测绘数字线划矢量图(DLG)以及制作数字正射影像图(DOM)等各项工作，在必要的情况下还能够对机械存在的纹理进行提取，从而将纹理库建立起来。

利用这些技术，能够将机械产品的三维3D模型建立起来，可以通过动力学仿真、运动学仿真以及有限元分析针对结构进行全面的综合分析设计^[2]。

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3. 机械三维建模当中数字测量技术的运用

在进行机械三维建模过程中数字摄影技术主要包括以下几个步骤：

①首先要对相机参数以及机械控制点坐标等必要的参数数据进行获取，也包括数字摄影得到的各种影像文件。

②采用初始化的方式针对模型进行处理，同时还要针对各种参数进行设置，其中存在的每一个模型都属于一个像对。

③定向处理模型：其中包括绝对定向、相对定向以及内定向等。

进行内定向的目标除了要对及数字影像可能存在的变形予以确定之外，还要对像片坐标以及坐标系之间存在的关系予以确定。在影像数字化过程中会出现数字影像之变形，其大部分为仿射变形。像片坐标以及坐标系之间存在的关系可以用以下的公式来表示

x=(m₂J+m₁I+m₀)Δ

y=(n₂J+n₁I+n₀)Δ

在公式当中，像片坐标系的坐标用x，y来表示，而其中的6个仿射变形参数则为n₂、n₁、n₀、m₂、m₁以及m₀；扫描坐标系的坐标则用I，J来表示；采样间隔用Δ来表示^[3]。

为了使两张可以构成立体像对的像片相对方位能够恢复，就需要采取相对定向的方法针对被摄物体的模型予以有效的建立，满足条件的相应的摄影光线与基线就是其数字模型。

④影像匹配预处理的方法。在自动影像匹配前的预处理就是所谓的影像匹配预处理，其主要是处理其中一些匹配过程中具有较大困难的机械部位，同时其还可以针对一些具有不同灰度和色彩、影像质量较差的部件进行处理。这是由于这些部件可能会产生不好的匹配效果，所以需要在影像匹配前预处理，最终能够产生更好的匹配效果，这样就能够使匹配编辑的大量工作得到最大限度的减少，并且促进工作效率的提升。

⑤在将核线影像形成之后，就要将同名点确定下来，并且对影像匹配方法进行合理的选择，完成自动匹配的工作之后，就要编辑相应的匹配结果，最终将不可靠点剔除掉。

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3. 构建三维模型的方法

三维模型的准确性和效率将直接影响到其可操作性和建造周期。下面列举四个具有代表性的模型：第一，利用航拍技术进行三维造型。利用航拍技术，可以在立体环境中迅速、精确地获得建筑物等三维数据的位置、形状和高度，并利用外部的纹理数据和正反射图像的顶部信息来建立精确的三维模型。成熟的 DEM资料和 DOM资料制作技术路线能够迅速再现三维场景中的地貌资料，并能更好地再现城市的风貌。第二，利用激光雷达进行扫描，可以迅速获得建筑物和地面的图像，但这样做需要大量的数据，需要大量的人工干预，这样的话，就不会有任何颜色。第三，采用平面规划图等二维数据，采用 AutoCAD和3 DSMax等软件构建三维模型，但由于采集数据量大，数据具有时间上的不确定性，而且由于建筑顶部的纹理有死角，因此获得的高程数据也比较困难。用这种方法构建的三维模型，不会有任何颜色的质感。第四，SWDC-5和SSW-2机载模型测量系统是由刘先林院士在“中国数字城市技术研讨会”上提出的。

4.基于数字摄影测量技术的三维建模方法

利用数码照相技术进行三维数据的生产，具有以下特点：一是采集、加工；配制等均采用数码方式，将摄影测量的全部过程用电脑完成，并覆盖了传统照相测量的全部过程。第二，数码影像测量技术可以帮助设计者迅速地构建出地面建筑物的几何、高程数据，具有较高的几何精度和较快的成像速度；地面建筑物的几何精度可达厘米，易于更新，可用于大型工程、全国范围的资料收集，为数字城市、数字地球等提供基本的数据架构。第三，利用数码影像技术对城市的三维建模，与一般的电脑动画和模拟景观的区别在于，利用建筑的三维空间坐标，建立了一个城市的三维空间模型。该三维地形模型资料中，各建筑的空间位置关系与实际情况基本一致，并能测量出任意一点的三维空间坐标，具有测绘水平的精度。

采用数字摄影测量技术的数字沈阳三维建模技术路线如下图所示：

技术路线图

该工程使用 DMC全数码航摄相机进行航拍，取得了1∶5000航拍和0.06 m影像地面分辨率。通过 DATMatrix软件，将采集到的图像数据和外业象控数据进行空间三次加密，得到了外业测量所需的外向角和加密点的坐标。

DEM是数字城市建设的重要基础资料。该项目使用空间三加密后的资料，在 MapMatrix软件中自动建立三维模型，检查相对定向和绝对定向精度，并产生大地核线，自动匹配，生成5米格网 DEM档案。在匹配编辑窗口内，根据工作指示对等视差线或等高线进行编辑，使所有的曲线都贴近地面，最终生成 DEM，并对 DEM进行接缝检验和处理。

数码照相测量系统能完成正向图像的校正、马赛克、切割等。通过 DEM和 DOM的叠加，可以得到一个城市的立体地貌。该工程采用 DEM进行正焦校正，校正后的航片在 EPT上进行，均匀化；均匀光，调整编辑拼接线的拼接图像。根据图像的座标进行裁剪。

三维模型区域背景图是一种 DOM产品，该工程在该工程中对地面进行了真实的射流生产。不同于一般的数码正射图像产品，它使用的是3D建模区的背景图，它将全部建筑的中心投影校正，以确保没有投影误差。采用全数码摄影测量技术，实现了三维空间中建筑物的几何特性数据的获取。由照相测量系统获取的建筑物向量资料，是建立三维模型区域的背景地图的数学依据，通过对正射图像的修正，可以消除建筑物的投影误差。

城市真实立体景观模型是利用大尺度航空摄影技术，利用数码摄影技术，准确地获得目标的三维空间坐标，并提取建筑局部的纹理，并利用相应的软件，实现对建筑的建模。基本模型的建立。在 MapMatrix的三维环境中，根据《沈阳三维地理信息系统建设设计书》中的规范，采用空间三的加密资料，对房屋的屋顶和桥梁进行了相应的平面几何、高度测量，并在 MapMatrix上建立了相应的空间坐标测量方法。采用相关软件，通过获取的向量线进行三维建模。提取屋顶纹理。根据需要对图像进行调暗处理，然后用相应的软件将图像和基本模型中的名称点进行匹配，并使其符合标准，然后由软件自动抽取建筑顶部的纹理。采集外业纹理。采用手持式数字照相机，在野外采集的基础上，对测量区域内的建筑物的表面纹理进行了提取。在野外拍摄贴图时，必须用照相机清晰地记录每一栋建筑的外貌，同时确保邻近建筑物的材质接触面。在采集的时候，要有整个建筑的纹理效应和局部的放大纹理效应，要对特征建筑和建筑的局部特征进行细致的记录。3D建模。沈阳三维 GIS的三维建模方法主要有：地形建模；建筑模型、道路模型、植被模型、市政设施模型、精细模型、标准模型三个层次。沈阳城区的大规模三维模型需要在很短的时间内进行，这不仅需要建立模型的速度和数据质量。由于地形、道路、植被模型等模型的构造较为简单，而建筑物模型和市政设施模型则较为复杂，因此本文将3 DSMax与 MultiGenCreator相结合，利用 MultiGenCreator实现地形模型、植被模型、道路模型、三维模型、城市设施模型。

3.建立地形以及地物的三维模型

3.1纹理映射的建模方式

①机械模型表面：由于机械的表面具有较为复杂的构造，如果采用三维模型针对这些建筑物模型的细节进行表示，就会使模型的复杂度以及数据量得到极大的增加。而采用纹理映射的方法针对其中的细节进行模拟，就可以将这个问题解决掉。

②不规则的机械部件：要想促进模拟逼真度的提升就必须要针对机械当中的各个部件进行模拟。而采用纹理映射技术能够将这些机械部件很好的模拟出来，从而能够有效的平衡运行速度以及逼真度。

3.2几何形态建模的方式

①机械形状建模的方式；首先将数字机械模型(DTM)建立起来，然后以定向元素为根据针对同名点的机械表面坐标(Z，Y，X)等计算出来，随后将DTM网格点高程内插进去，就可以将DEM和等高线形成。

②机械部件的方式：a.自动生成机械部件：在机械部件的轮廓范围被检测出来之后，利用立体匹配生成的DEM就可以对其进行插值，在候选机械部件轮廓内的一点与匹配点相对应的情况下，就可以使轮廓当中的点被匹配点DEM信息赋值。利用该方法就能够将机械部件在机械相机影像当中的三维信息获得。b.对三维制作软件予以直接使用：采用3DMAX以及AUTOCAD等软件能够将逼真的三维模型直接制作出来，尤其是针对一些不规则的机械部件等会具有更好的效果

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③复杂实体的建模方式：要想将机械部件更形象以及准确的显示出来，必须要对比较复杂的机械部件予以充分的考虑。可以先将单个的机械部件的模型建好，然后在已经完成的三维模型当中将这些单个模型插入其中，就能够完成。但是虽然能够非常逼真的建立单个模型，但是却具有非常大的工作量，而且为了保证复杂实体美观的实现，这些软件通常还具备较大的数据量，从而使自身的速度受到了影响。在这种情况下可以采用3D GIS软件来进行建模，其能够将单个模型快速而方便的建立起来。

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5. 结语

在进行三维建模的时候采用数字摄影测量技术具有一系列的优势，其具有十分丰富的数据源信息，有大量的空间数据包含在机械三维图像当中，而且还具备图像数据；同时其具有越高的自动化程度以及建模速度，就会出现越大的三维建模规模，这样就能够将其优越性充分的显示出来；最后其还能有效的进行更新。所以采用这种方法具有十分理想的建模效果。

【参考文献】

[1] 曾润国,聂志锋,卢建刚,过静珺. 数码校园GIS中的三维建模[J]. 工程勘察. 2012(03)

[2] 梅积刚. 齿轮三维模型的程序化设计关键技术分析[J]. 装备制造技术. 2013(05)

[3] 王玉新,邰晓梅,姜杉. 三维虚拟设计环境下的机械产品概念设计[J]. 中国机械工程. 2013(03)

[4] 仇明侠,张治民,张宝红,冯再新. 利用Pro/E软件实现直齿圆柱齿轮的三维建模[J]. 机械工程与自动化. 2012(06)