錢磊 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Geomagic Wrap、Cura的二次開發(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。通過對于該技術(shù)的研究，我們可以以很低的代價同時獲取三維模型與實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)快速建模與快速制造的技術(shù)聯(lián)動，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)用計算機(jī)輔助設(shè)計、材料成型、數(shù)控加工等技術(shù)，通過軟件系統(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)。相對于傳統(tǒng)的材料削減，這是一種“從無到有”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，只需要在計算機(jī)設(shè)備上設(shè)計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題，并有效地減少加工工序，縮短加工周期[2]。同時，對于結(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

傾斜攝影測量是目前國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(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)。同時成本相對較低，可以真實(shí)的反映地面物體周圍情況。（圖2）

3? 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)

此次試驗(yàn)釆用大疆Phantom 4 Pro+ V2.0四軸自帶云臺飛行器，手動環(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°，通過不同飛行高度獲取傾斜方向的影像，同時運(yùn)用大疆飛行軟件獲取相機(jī)曝光時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，配備FOV84°8.8mm/24mm、f/2.8-f11帶自動對焦鏡頭。

3.2 技術(shù)要求

網(wǎng)絡(luò)RTK觀測的基本條件要求如表1。

兩次初始化成果須野外比對結(jié)果，比對值為兩次初始化采集的最后一個歷元的空間坐標(biāo)，較差必須小于Mo;不符合時，加測一次。取較差滿足精度要求的兩次作為觀測成果。如果三次較差均超出精度指標(biāo)，則在其他時間段重新觀測。所有觀測數(shù)據(jù)、記錄均需要保留，作為對測區(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)自動三維重建：將無人機(jī)航測采集的影像數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)信息導(dǎo)入自動建模軟件，便可以生成試驗(yàn)區(qū)域的實(shí)景三維模型，經(jīng)過后處理編輯和加工，便可自動生成實(shí)景三維。

無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集過程如圖3所示。

3.4 模型優(yōu)化修復(fù)

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

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

3.5 模型二次開發(fā)

本次實(shí)驗(yàn)采用當(dāng)前3D設(shè)計和打印領(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，通過傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行初始三維建模，并對區(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）

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

4? 總結(jié)

該技術(shù)結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)和增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用無人機(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)建模的問題，豐富了建模數(shù)據(jù)釆集的手段[7]。同時，結(jié)合增材制造技術(shù)將獲取的目標(biāo)物模型導(dǎo)入二次開發(fā)，生產(chǎn)出實(shí)體模型，是一種成本相對較低、快捷高效的打印技術(shù)。

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