基于增材制造的傾斜攝影技術研究與實踐

錢磊 沈雪梅

摘要：本文分別介紹增材制造技術、傾斜攝影技術，選擇城市某一區(qū)域作為試驗區(qū)，利用無人機傾斜攝影獲取該地區(qū)數(shù)據(jù)，并采用Contextcapture、進行數(shù)據(jù)處理，最后通過Geomagic Wrap、Cura的二次開發(fā)，將傾斜攝影技術與增材制造技術有機結合，實現(xiàn)三維重建與增材制造的同步完成。通過對于該技術的研究，我們可以以很低的代價同時獲取三維模型與實體模型，實現(xiàn)快速建模與快速制造的技術聯(lián)動，是一種快捷高效的打印技術。

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.

關鍵詞：三維重建;增材制造;三維建模技術

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

1? 增材制造概述

增材制造（additive manufacturing，AM）技術是基于離散-堆積原理，綜合運用計算機輔助設計、材料成型、數(shù)控加工等技術，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、熔融等方式層層疊加堆積成型，制造出目標物的制造技術。相對于傳統(tǒng)的材料削減，這是一種“從無到有”疊加成型制造目標物的制造技術[1]。

增材制造技術同傳統(tǒng)技術比較，不需要較多的加工工序和刀具、夾具等器材，只需要在計算機設備上設計出所需的三維模型就可快速而精確地制造出零件，解決了以往復雜結構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，對于結構復雜、結構較大難以制造的零件，其制造的效率越高[3]。（圖1）

2? 傾斜攝影技術概述

傾斜攝影測量是目前國際測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術，該技術分別從垂直、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，是當前一種高效的三維建模技術。同時成本相對較低，可以真實的反映地面物體周圍情況。（圖2）

3? 實驗過程

3.1 無人機傾斜攝影系統(tǒng)

此次試驗釆用大疆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)。相機傾斜角度設置為45°，通過不同飛行高度獲取傾斜方向的影像，同時運用大疆飛行軟件獲取相機曝光時刻的地理位置信息和姿態(tài)信息。相關參數(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 技術要求

網(wǎng)絡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果，比對值為兩次初始化采集的最后一個歷元的空間坐標，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，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

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

數(shù)據(jù)自動三維重建：將無人機航測采集的影像數(shù)據(jù)和控制點信息導入自動建模軟件，便可以生成試驗區(qū)域的實景三維模型，經(jīng)過后處理編輯和加工，便可自動生成實景三維。

無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集過程如圖3所示。

3.4 模型優(yōu)化修復

①結構修正，對于生產(chǎn)出的三維模型來說，部分位置出現(xiàn)結構缺失、拉花、凸起或凹下，對此可以使用Geomagic Wrap進行結構修復。

②紋理修復，模型經(jīng)過結構修正后，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)動進行修復。

3.5 模型二次開發(fā)

本次實驗采用當前3D設計和打印領域最流行的軟件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，可導出脫機打印，導出的文件擴展名為“.stl”，插入3D打印機即可打印[6]。

本次實驗的相關參數(shù)如下：

設置層厚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 其他技術實踐

利用上述技術原理及相關處理方法，在合肥市植物園進行了其他地面建模的實踐和驗證。在合肥市植物園部分區(qū)域，通過傾斜攝影測量技術進行初始三維建模，并對區(qū)域內不同尺寸的物體進行了三維精細化建模。（圖9-圖12）

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

4? 總結

該技術結合無人機傾斜攝影測量技術和增材制造技術的優(yōu)點，利用無人機低空飛行獲取地面目標物高分辨率的圖像紋理，解決了傾斜攝影實景模型細節(jié)補充和精細建模的問題，豐富了建模數(shù)據(jù)釆集的手段[7]。同時，結合增材制造技術將獲取的目標物模型導入二次開發(fā)，生產(chǎn)出實體模型，是一種成本相對較低、快捷高效的打印技術。

參考文獻：

[1]袁芬，李彪，吳宏濤.激光選區(qū)融化（SLM）設備引進要點探討[J].內燃機與配件，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，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研究[D].湖北：華中科技大學，2016.DOI：10.7666/d.D01078492.

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

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

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

[7]程彬.基于Arduino系統(tǒng)的3D打印機的軟硬件設計[D].重慶理工大學，2017.

[8]譚仁春，李鵬鵬，文琳，等.基于無人機傾斜攝影的城市三維建模方法優(yōu)化[C].//全國測繪科技信息網(wǎng)中南分網(wǎng).全國測繪科技信息網(wǎng)中南分網(wǎng)第三十次學術信息交流會 論文集.2016：397-401.

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