基于复杂曲面产品照片建模技术的研究

论文摘要

逆向工程技术是进行产品设计、开发和创新的重要方法之一。基于数码照片的三维建模技术（image-based modeling）是近些年快速发展起来的基于计算机图形学的重要研究方向,也是计算机视觉的重要研究领域。基于数码照片的三维建模技术是指通过不同视角的二维数码照片来重建物体的三维模型。本文围绕着反求工程中基于二维数码照片来重建物体三维模型这一技术展开了研究,并结合应用Imagemodeler软件、Zbrush软件、3DMax软件、Pro/E软件完成了雕像的三维建模工作。本论文结构可分为逆向工程的介绍和应用领域、数码相机的参数标定、特征点的立体匹配、三维网格模型的重建、模型细节雕刻和实体化等5个大部分。在数码相机标定部分构建了线性数码相机数学模型和非线性数码相机两种数学模型,数码相机的标定实际是为了确定数码相机的拍摄位置、内外部参数和构建成像模型。通过对两种数码相机数学模型的分析,建立了稳定性和精度较高的目标定位模型,此模型充分考虑了畸变对数码相机标定产生的误差,最后利用Imagemodeler软件和Tsai两步法标定出的非线性相机模型的内部参数和外部参数。在特征点的立体匹配中重点研究了立体匹配基本算法和基础的匹配约束;在特征点的三维重建方面,分析了常用的三维点重建的算法,并根据三维点重建算法实现了雕像特征点的三维重建,并对标定得到的三维特征点点云进行数据处理,最后利用Imagemodeler软件重建了雕像的真实三维网格模型。在对雕像模型的细节进行雕刻和再设计的时候,通过对各雕刻软件的优越性的对比确定了运用Zbrush软件来进行雕像的细节修改和再设计,综合运用了Zbrush软件中的拓扑X对称、Move、Starderd、Inflat、Layer、Smooth等相关笔刷完成了雕像细节的雕刻工作;最后在Pro/E中完成了雕像的实体化模型,并为后期的制造提供了可靠的数字化模型。本论文通过实验和实例对上述的建模工艺流程和各算法进行了有效的验证,并实际完成了重庆大学校内雕像模型的三维重建;最后对后续的工作提出了建议和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于单张图像的几何模型重建
• 1.2.2 基于立体视觉方法的几何模型重建
• 1.2.3 基于侧影轮廓线的几何模型重建
• 1.2.4 基于灰度图像的几何模型重建
• 1.2.5 基于未定标相机的几何模型重建
• 1.3 本文研究的目的和内容安排
• 2 数码相机标定数学模型的研究
• 2.1 数码相机的标定概述
• 2.1.1 数码相机参考坐标系
• 2.1.2 数码相机的标定方法分类
• 2.2 数码相机标定方法的研究
• 2.2.1 线性数码相机模型的标定
• 2.2.2 非线性数码相机模型的标定
• 2.2.3 一种新的矩阵修正法标定
• 2.3 佳能数码相机标定实验
• 2.3.1 问题提出与背景
• 2.3.2 佳能相机参数的求解
• 2.4 本章小结
• 3 立体匹配算法和特征提取的研究
• 3.1 立体匹配基础理论
• 3.1.1 基本的匹配原则
• 3.1.2 极限约束和基本矩阵
• 3.2 立体匹配算法的研究
• 3.2.1 常见的匹配方法分类
• 3.2.2 典型的匹配算法
• 3.3 雕像特征点的选取规律
• 3.4 本章小结
• 4 基于特征点的三维网格模型重建
• 4.1 特征点重建算法的研究
• 4.1.1 线性特征向量法
• 4.1.2 线性最小二乘法
• 4.1.3 非线性特征向量方法
• 4.1.4 重建点误差分析指标
• 4.2 特征点的数据处理
• 4.2.1 特征点数据的预处理
• 4.2.2 曲线拟合和曲面构造
• 4.2.3 重建曲面的品质分析
• 4.3 雕像三角网格模型的重建
• 4.4 本章小结
• 5 雕像模型的细节雕饰与实体化
• 5.1 头像拓扑和ZBRUSH 的雕饰流程
• 5.1.1 拓扑的重要性和规律
• 5.1.2 基于ZBRUSH 的雕像造型雕饰流程
• 5.2 基于 Pro/E 的雕像重新造型
• 5.2.1 雕像小平面建模
• 5.2.2 雕像曲面重新造型
• 5.3 本章小结
• 6 实例
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录