基于增材制造的傾斜攝影技術(shù)研究與實(shí)踐

錢(qián)磊 沈雪梅

摘要：本文分別介紹增材制造技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)，選擇城市某一區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取該地區(qū)數(shù)據(jù)，并采用Contextcapture、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過(guò)Geomagic Wrap、Cura的二次開(kāi)發(fā)，將傾斜攝影技術(shù)與增材制造技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三維重建與增材制造的同步完成。通過(guò)對(duì)于該技術(shù)的研究，我們可以以很低的代價(jià)同時(shí)獲取三維模型與實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)快速建模與快速制造的技術(shù)聯(lián)動(dòng)，是一種快捷高效的打印技術(shù)。

Abstract： This paper respectively introduces material manufacturing technology， photography， chooses an area as the experimental zone city， uses unmanned aerial vehicle （uav） oblique photography to collect data in the region， and uses the Contextcapture to perform data processing，? finally through the secondary development of GeomagicWrap， Cura， will tilt the organic combination of photography technology and the increase of material manufacturing technology to d to achieve the simultaneous completion of 3D reconstruction and additive manufacturing. Through the research of this technology， we can obtain 3d model and solid model at the same time at a very low cost， and realize the technical linkage between rapid modeling and rapid manufacturing， which is a fast and efficient printing technology.

關(guān)鍵詞：三維重建;增材制造;三維建模技術(shù)

Key words： 3d reconstruction;additive manufacturing;3d modeling technique

1? 增材制造概述

增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)是基于離散-堆積原理，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料成型、數(shù)控加工等技術(shù)，通過(guò)軟件系統(tǒng)、數(shù)控加工系統(tǒng)將特殊材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融等方式層層疊加堆積成型，制造出目標(biāo)物的制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的材料削減，這是一種“從無(wú)到有”疊加成型制造目標(biāo)物的制造技術(shù)[1]。

增材制造技術(shù)同傳統(tǒng)技術(shù)比較，不需要較多的加工工序和刀具、夾具等器材，只需要在計(jì)算機(jī)設(shè)備上設(shè)計(jì)出所需的三維模型就可快速而精確地制造出零件，解決了以往復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件難以制造成型的問(wèn)題，并有效地減少加工工序，縮短加工周期[2]。同時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)較大難以制造的零件，其制造的效率越高[3]。（圖1）

2? 傾斜攝影技術(shù)概述

傾斜攝影測(cè)量是目前國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)分別從垂直、傾斜等不同角度采集影像[4]，獲取地面物體高分辨率的圖像紋理，是當(dāng)前一種高效的三維建模技術(shù)。同時(shí)成本相對(duì)較低，可以真實(shí)的反映地面物體周?chē)闆r。（圖2）

3? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)

此次試驗(yàn)釆用大疆Phantom 4 Pro+ V2.0四軸自帶云臺(tái)飛行器，手動(dòng)環(huán)繞航拍獲取不同方向的影像數(shù)據(jù)。相機(jī)傾斜角度設(shè)置為45°，通過(guò)不同飛行高度獲取傾斜方向的影像，同時(shí)運(yùn)用大疆飛行軟件獲取相機(jī)曝光時(shí)刻的地理位置信息和姿態(tài)信息。相關(guān)參數(shù)如下：

①平均飛行高度180m-220m。

②航向重疊度80%，旁向重疊度70%。

③相機(jī)采用1英寸CMOS傳感器，有效像素2000萬(wàn)，配備FOV84°8.8mm/24mm、f/2.8-f11帶自動(dòng)對(duì)焦鏡頭。

3.2 技術(shù)要求

網(wǎng)絡(luò)RTK觀(guān)測(cè)的基本條件要求如表1。

兩次初始化成果須野外比對(duì)結(jié)果，比對(duì)值為兩次初始化采集的最后一個(gè)歷元的空間坐標(biāo)，較差必須小于Mo;不符合時(shí)，加測(cè)一次。取較差滿(mǎn)足精度要求的兩次作為觀(guān)測(cè)成果。如果三次較差均超出精度指標(biāo)，則在其他時(shí)間段重新觀(guān)測(cè)。所有觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、記錄均需要保留，作為對(duì)測(cè)區(qū)成果穩(wěn)定性、可靠性的考察[5]。

3.3 數(shù)據(jù)處理

此次試驗(yàn)采用Bentley公司實(shí)景建模軟件Contextcapture，該軟件具有數(shù)據(jù)量小、兼容多種數(shù)據(jù)格式，同時(shí)可以真實(shí)體現(xiàn)模型細(xì)節(jié)，具有模型的地理信息。

數(shù)據(jù)自動(dòng)三維重建：將無(wú)人機(jī)航測(cè)采集的影像數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)信息導(dǎo)入自動(dòng)建模軟件，便可以生成試驗(yàn)區(qū)域的實(shí)景三維模型，經(jīng)過(guò)后處理編輯和加工，便可自動(dòng)生成實(shí)景三維。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖3所示。

3.4 模型優(yōu)化修復(fù)

①結(jié)構(gòu)修正，對(duì)于生產(chǎn)出的三維模型來(lái)說(shuō)，部分位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺失、拉花、凸起或凹下，對(duì)此可以使用Geomagic Wrap進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)。

②紋理修復(fù)，模型經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)修正后，由于原片及軟件重建會(huì)出現(xiàn)部分紋理色彩失真、移位、缺失等，對(duì)此可以使用貼圖大師軟件與PS聯(lián)動(dòng)進(jìn)行修復(fù)。

3.5 模型二次開(kāi)發(fā)

本次實(shí)驗(yàn)采用當(dāng)前3D設(shè)計(jì)和打印領(lǐng)域最流行的軟件Cura。

作為一款三維模型切片軟件，其主要作用是將模型分層切片，根據(jù)模型的形狀生成不同的打印路徑，從而生成整個(gè)三維模型的Gcode命令代碼，可導(dǎo)出脫機(jī)打印，導(dǎo)出的文件擴(kuò)展名為“.stl”，插入3D打印機(jī)即可打印[6]。

本次實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)如下：

設(shè)置層厚0.2mm，壁厚1.2mm;填充頂層/底層厚度0.8mm，填充密度20%;打印速度60mm/s。（圖8）

3.6 其他技術(shù)實(shí)踐

利用上述技術(shù)原理及相關(guān)處理方法，在合肥市植物園進(jìn)行了其他地面建模的實(shí)踐和驗(yàn)證。在合肥市植物園部分區(qū)域，通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行初始三維建模，并對(duì)區(qū)域內(nèi)不同尺寸的物體進(jìn)行了三維精細(xì)化建模。（圖9-圖12）

利用無(wú)人機(jī)低空靈活飛行的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)建模無(wú)法收集目標(biāo)物頂部及上部紋理和形態(tài)數(shù)據(jù)的缺陷;同時(shí)高質(zhì)量獲取側(cè)面紋理和數(shù)據(jù)來(lái)輔助精細(xì)建模，將傳統(tǒng)方法與無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合[6]，完成目標(biāo)物的精細(xì)建模。對(duì)模型局部缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，并導(dǎo)入相關(guān)軟件進(jìn)行模型的二次開(kāi)發(fā)。

4? 總結(jié)

該技術(shù)結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)低空飛行獲取地面目標(biāo)物高分辨率的圖像紋理，解決了傾斜攝影實(shí)景模型細(xì)節(jié)補(bǔ)充和精細(xì)建模的問(wèn)題，豐富了建模數(shù)據(jù)釆集的手段[7]。同時(shí)，結(jié)合增材制造技術(shù)將獲取的目標(biāo)物模型導(dǎo)入二次開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)出實(shí)體模型，是一種成本相對(duì)較低、快捷高效的打印技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁芬，李彪，吳宏濤.激光選區(qū)融化（SLM）設(shè)備引進(jìn)要點(diǎn)探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（13）：125-126.

[2]閆景玉，馬俊飛，陳龍，等.EBM成形零件后處理工藝研究[J].教練機(jī)，2016（2）：25-28.

[3]趙曉.激光選區(qū)熔化成形模具鋼材料的組織與性能演變基礎(chǔ)研究[D].湖北：華中科技大學(xué)，2016.DOI：10.7666/d.D01078492.

[4]余凱.傾斜攝影測(cè)量在水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J].城鎮(zhèn)建設(shè)，2019（10）：154.

[5]周忠，吳何.基于CORS系統(tǒng)的航控外業(yè)測(cè)量[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015，5（14）：2601-2602.

[6]周登攀.基于3D打印技術(shù)的注射模具隨形冷卻水道的制造[J].長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，34（4）：20-23.DOI：10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.04.007.

[7]程彬.基于A(yíng)rduino系統(tǒng)的3D打印機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)[D].重慶理工大學(xué)，2017.

[8]譚仁春，李鵬鵬，文琳，等.基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法優(yōu)化[C].//全國(guó)測(cè)繪科技信息網(wǎng)中南分網(wǎng).全國(guó)測(cè)繪科技信息網(wǎng)中南分網(wǎng)第三十次學(xué)術(shù)信息交流會(huì) 論文集.2016：397-401.

[9]馮笑妍.面向城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新的無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，14（23）：23-24.DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.23.023.