数字化三维人体模型（共7篇）
数字化三维人体模型 篇1
0 引 言
近年来, 人体运动模型研究以其综合性强、应用范围广而受到较多关注。1996年, 美国宾西法尼亚大学开发成功JACK人体建模系统, 该模型包括逼真的人体行为动作、贴近真实人体的人体数据缩放等功能, 广泛应用于人体工效分析。2000年DIVISION公司在其三维设计软件CATIA中, 提供了和设计环境完全集成的人体工程模型, 不但能够建立三维数字化人体模型, 还可以快速为人体运动建模和分析。我国虚拟环境下人机工程研究起步较晚, 但也取得了较丰富的成果。北京航空航天大学研究了飞行员操作域的计算机辅助判定方法, 提出了一种飞行员手臂的运动模型, 利用其判定飞行员操作域。北京航空航天大学采用多摄像机跟踪固定在人体的标记点的光学测量法, 将空间坐标转换城关节角度, 驱动三维人体模型进行操作仿真, 也取得了较好效果。
直升机工程研究中, 将人-机-环境系统工程的思想、理论以及工程应用成果, 用现代计算机仿真技术综合集成起来, 使之成为一种可用于直升机工程问题定量分析、设计及评价的现代技术, 能够起到提高直升机工程中人机工程问题的设计效率, 及时发现并纠正错误、缩短设计周期、降低研制费用和实验成本等作用。
本文就直升机仿真系统中, 建立标准数字化三维飞行员人体模型子系统做些探讨。数字化三维飞行员人体模型由计算机生成空间内表示人的几何特性和行为特性, 用于虚拟现实场景中的人体模型是可参数化的三位立体模型, 具有真实感, 并能够进行运动学仿真或动力学仿真。在直升机仿真系统中建立数字化三维飞行员人体模型可以应用在直升机设计的人机工效评定中, 对直升机产品形态的人机参数计算、选择及评定可以起到辅助决策的作用, 也可以结合飞行数据应用到飞行员在训练模拟器上模拟飞行的成绩评判中。
1 人体机械简化
将人体看作为一个具有复杂自由度的机械系统, 整个人体的自由度数为244, 仅腿部和臂部就各有30个自由度。为了降低计算量和保证实时性, 在虚拟模型中必须将人体机械进行简化, 而在简化骨骼形状、关节接触面过程中, 必须保证节段间相互作用的正确性。采用将人体节段简化为多刚体系统的方法对人体机械进行简化, 将人体肌肉等按照力学特性处理为刚体间作用力和力矩。采用这种方法建立的人体模型, 具有参数化建模的优点, 既便于计算机图形表示, 也便于具有较好精度的运动学计算。依照多刚体简化方法可将人体划分为15个节段:头、上躯干、下躯干、左上臂、左前臂、左手、右上臂、右前臂、右手、左大腿、左小腿、左足、右大腿、右小腿、右足。在直升机仿真系统中, 由于飞行员坐姿基本固定, 可以将其人体模型中上躯干和下躯干之间的自由度简化为0, 合并上躯干和下躯干视作为一刚体。由于手部自由度较多, 可将各个手指的自由度简化为0, 仅保留手腕关节的自由度。简化后的人体机械模型共有26个自由度。图1为简化后的飞行员人体节段模型。
建立人体几何模型和运动学模型时, 对于多自由度的关节, 为了保证关节自由度, 可以将其转化为多个单自由度的关节, 各个单自由度关节之间以虚连杆相连, 两个连续关节点之间存在一个旋转矩阵, 定义两个节点坐标系之间的转换关系。图2为多自由度关节转化为单自由度关节的示意图。图中各个节点附近的数字表示该关节点的自由度数。以其中B关节点为例, B关节点自由度数为3, 具有x、y、z三个正交旋转轴。将其转化成3个连续单自由度关节点B1、B2、B3, 其中B1关节轴为原关节点x轴, 其中B2关节轴为原关节点y轴, 其中B3关节轴为原关节点z轴。B1、B2、B3之间连杆L1和L2为无长度、无质量的虚连杆。
2 基于NURBS方法的人体几何模型
根据人体外形特征和各曲面片间关系可将人体表面划分为多个曲面片进行拟合。曲面拟合的方法很多, 如Coons曲面法、双三次Hermite插值法、双三次Bezier法以及双三次B样条曲面法。考虑到双三次B样条曲面光滑性较好, 而且曲面片之间连接比较容易, 选用双三次B样条曲面表示人体曲面片。双三次B样条曲面方程为:undefined
式中Vij (i=0, 1, ..., m+2;j=0, 1, ..., n+2) 为控制顶点, 由Vij组成的空间网格即B样条曲面的特征网格。Ni 4 (u) , Nj 4 (v) 为三次B样条基函数。由于双三次B样条曲面的控制顶点不一定在人体曲面上, 因此给定人体表面上某一局部呈四边形分布的型值点 (人体测量数据) 需要经过B样条曲面反算求得控制顶点以及参数, u0≤u1≤…≤um, v0≤v1≤…≤vn。节点矢量可由积累弧长参数法确定, 由此可以用双三次B样条曲面表示出人体每一曲面片。
由于本模型不必要对飞行员头面部细特征以及手指、脚趾等身体结构末端部位建立模型。根据我国国家军用标准《中国男性飞行员人体尺寸》 (GJB 4856-2003) , 可以获得适用于本模型的完整的飞行员人体各部位尺寸值 (型值点) , 由此可以建立飞行员标准人体尺寸数据库。在建立人体数据库时, 也可以根据具体某些飞行员个体尺寸建立飞行员个体数据文件。
目前, 诸如Multigen、Transom Jack、H_anim、Solidworks、CATIA等三维造型和仿真软件均可以利用已建立的飞行员人体测量数据库采用NURBS方法建立起参数化飞行员人体三维模型。
3 人体运动学模型
飞行员人体模型的各个节段可看作为一个多刚体系统, 采用矩阵法作为数学描述以表示躯体节段的运动、旋转以及空间姿态, 采用正向运动学或者逆向运动学方法建立运动方程和求解虚拟人体位置姿态和末端速度。
飞行员驾驶直升机的过程中, 一旦飞行员某一部位 (一般为上肢、下肢和头部) 运动姿态以某一姿态变换后, 它在基坐标系中的位置能够通过左乘一对应矢量p的平移变换来确定。
undefined
[某姿态变换]
飞行员人体末端节段 (如手、脚部) 的运动速度ξ是一个六维向量, 它包括人体末端节段参考点相对于基坐标系的线速度v和角速度ω。ξ和描述飞行员人体各个关节自由度的N维向量undefined有如下关系:
undefined
其中J为6×N阶人体雅可比矩阵, 反映关节微转动与的关系, 即
undefined
此矩阵是一个时变的线性变换矩阵, 在任意时刻q具有定值时, J为一个线性变换阵, q在新时刻发生改变时, J也因q的变化而改变。
4 结 论
目前, 飞行员数字化三维人体模型研究仍然处在起步阶段。为保证高实时性, 其运动模型在工程应用中要求仿真计算机配置较高, 但实际使用时仍有可能产生丢帧现象。在采用工程建模软件CATIA人体数据建模时, 发现GJB 4856-2003没有对某些国际通用项目进行测量, 而一些项目的测量基准与国际上流行的测量基准不同。虽然现有测量和统计数据足够建立简化的飞行员人体模型, 但完善的飞行员数字化三维人体模型还应包括人体动力学模型和生理特征模型, 这是今后研究中的重点内容之一, 更为完善的测量和统计数据将为这项工作的顺利进行提供可靠保证。
参考文献
[1]Rouse William B.Systems Engineering Models of Human-Machine In-teraction[M].Elsevier North Holland, Limeric Irelaud, 1980.
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[4]朱心雄.自由曲线曲面造型技术[M].北京:科学出版社, 2000.
[5]刘肖健, 等.基于Solidworks的人机工程学CAD二次开发[J].计算机工程与应用, 2004, 40 (25) :104-106.
人体骨骼三维模型重建技术的研究 篇2
在20世纪80年代以来, 以计算机技术为核心的数字化技术飞速发展, 相应的促进了医学影像工程技术和逆向工程技术的发展, 也为逆向工程技术应用于医学领域奠定了技术基础。90年代以后, 逆向工程技术的医学应用逐步发展, 得到了人们的普遍关注并获得了越来越广泛的应用。
逆向工程技术 (Reverse Engineering, 简称RE) 是指将实物转换为CAD模型的相关数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称[1]。在本文中狭义的将其定义为从相关模型的数字信息的获取、数字信息的处理到CAD模型形成这一过程中涉及的技术过程。
1 软件介绍
Mimics是Materialise公司开发的交互式医学图像控制系统的简称, 是对医学CT和MRI图像进行三维重建的专业软件。该软件能输入各种扫描的数据 (CT、MRI) , 建立3D模型进行编辑, 然后输出通用的CAD (计算机辅助设计) 、FEA (有限元分析) , RP (快速成型) 格式, 是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件[2];Geomagic是美国Raindrop公司的推出的逆向工程软件, 是成熟的逆向工程软件之一。利用Geomagic可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格, 并可自动转换为NURBS曲面。Imageware是著名的逆向工程软件, 广泛应用于汽车、航空、航天、家具、模具及通用的机械行业。UG是功能强大的三维设计软件, 是当前世界上最先进的、紧密集成的、面向制造行业的CAD/CAE/CAM高端软件。
2 人体骨骼模型重建方案
在逆向工程中, 实体的三维模型重建是整个过程中最关键、最复杂的环节。在实际应用中, 通常根据不同的数据来源和应用目的, 选用不同的方法, 本文尝试提出以下两种方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。
2.1 基于CT/MRI图像的三维模型重构
2.1.1 重构方案
该方案是以感兴趣的人体骨骼的CT/MRI图像为数据源的模型重建方案。技术路线如图1所示, 首先对人体骨骼进行CT/核磁扫描, 获取用于三维模型重建的CT/MRI图像并以DICOM格式存储, 然后输入到Mimics软件中。为了确保图像质量, 先要对图像进行预处理, 然后进行图像分割和边缘的提取与处理, 将软组织与骨骼组织进行分离, 得到所需组织区域。再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域通过区域生长功能扩展到其他剩余层。最后通过Calculate 3D工具由mask计算所需组织的三维模型。为了得到较好的模型效果, 需要对所建好的模型进行后期处理, 如光顺 (Smoothing) 、重新网格划分 (Remesh) 等。重构的三维模型, 可以以STL格式输出文件, 然后将文件输入快速成型机, 采用不同的快速成型材料及不同的快速成型方法[3], 得到用于不同目的的快速成形原型件。
因为STL格式是以三角面片来表示模型的, 不是传统意义上的CAD模型, 不能对模型进行任意的修改。在将重构的组织模型用于假体设计及有限元分析等方面时, 可以将得到的组织模型以图形数据文件交换的一种标准格式, IGES格式, 将模型输出, 得到模型的点云数据。然后利用逆向工程原理, 进行三维重构, 得到所需组织的CAD模型。
2.1.2 重建案例
使用CT扫描机, 采集了人体头部CT数据, 如图2a) 所示。得到DIMCOM格式的颅骨扫描后的数据, 运用Mimics软件读入计算机中, 得到包括软组织和骨组织在内的各具灰度特性的不同区域。在Mimics中进行颅骨重建主要通过数据预处理-区域分割-边缘提取与处理-区域增长这样的过程最终得到颅骨骨骼区域, 最后将选定区域生成STL模型。
CT图像是灰度图像, 每一点的灰度值反映了该处的密度[4]。骨骼的CT值因人而异, 一般范围为300-1500。通过人工干预, 选择合适的分割阈值, 将骨骼和软组织进行分割, 如图2b) , 然后进行边缘提取及处理, 对不需要的区域进行删除。对于已经确定某一个层面的骨骼区域, 通过区域生长功能可以方便的扩展到其他剩余层。最终提取出骨骼部分区域。通过区域生长完成的三维轮廓由于影像的误差和分割的误差, 通常仍旧会包含一些不需要的结构部位, 必须通过编辑处理手段把它们删除。然后可经过反复验证达到完善。在确认无误的情况下, 该三维模型可以以STL文件格式输出, 生成STL模型, 如同2c) 所示。导入到快速成型设备中, 用以制作快速成型件;或在输出模块中以IGES文件或DXF文件格式导出, 用以进一步的计算机辅助设计或有限元分析, 为从力学角度进一步研究做前期准备工作。
2.2 基于人体骨骼标本、模型的三维模型重构
2.2.1 重构方案
在实际研究中, 有些人体组织不适于通过CT/MRI扫描得到, 但现实有组织标本或模型, 这时可以利用逆向工程的数字化仪器, 对标本或模型进行扫描, 得到点云数据, 然后利用点云数据进行逆向重构。
重构时可以有两种方法选择:一是将IGES格式的点云数据导入Geomagic软件中, 利用该软件的相应功能来完成从点云数据到多边型模型和网格模型的构造, 最后自动转换为NURBS曲面模型。生成曲面模型后, 仍然以IGES格式将模型导出, 然后导入UG软件, 通过曲面缝合、加厚等功能生成实体模型。
另一种方法是将点云数据导入Imageware中, 通过点云构造必要的特征曲线或曲面, 然后导入UG中, 通过线构造面的相关命令进行曲面建模, 再利用构造实体的命令完成实体建模, 最后得到实体的CAD模型。
在这两种方法之中, 选择哪一种方法可视要构造模型的特点及使用者对软件的掌握程度来做选择。这一方案完成的实体模型, 可以以IGES格式输出后, 输入Ansys中进行有限元分析, 也可为利用ADAMS动力学软件进行运动与力学分析, 还可在此模型的基础上进行假体设计, 当然也可以将模型输出成STL格式, 进行快速成型制作, 还可以利用其他加工方法 (如数控加工) 进行实物模型的制作。
2.2.2 重建案例[5]
针对人体组织标本、模型的三维模型重构方案, 以人体的下颌第一磨牙模型作为模拟对象, 对其进行三维模型重建研究。
使用ATOS光学扫描系统将磨牙的模型进行扫描, 获得原始点云数据。通过ATOS扫描软件对点云进行去除噪声点、对齐、三角化、补洞、光顺等数据预处理, 然后以IGES格式导入Geomagic软件中。在Geomagic中, 先对点云进行进一步优化处理:如去除杂点、光顺、优化点云的横向点距、纵向点距等。然后通过wrap命令得到三角片表示的磨牙, 如图4a) 所示。同时进入Polgon阶段, 进行基于三角片的曲面模型处理, 通过对三角片的自相交、重叠、法向错误等问题进行处理后获得比较规整的曲面模型, 然后进入成形阶段 (Shape Phase) , 在对曲面分析的基础上进行曲面片的合理划分, 对划分好的曲面片进行网格构造 (Construct Grid) , 在网格的基础上拟合成NURBS曲面 (Fit Surfaces) , 如图4b) 所示。在Geomagic中得到NURBS曲面模型后, 将文件以IGES格式导出, 然后导入UG中, 通过曲面缝合, 得到三维实体, 如图4c) 所示。可以对其各部位进行更进一步的分析研究, 为进行牙体的生物力学研究和修复体优化设计提供生物力学基础, 以提供临床治疗与实验研究的理论依据和参考。
3 结束语
根据不同的数据来源和应用目的, 本文尝试提出了两种不同方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。完整地回顾了重构的整个过程:从CT/MRI图像到STL模型, 从点云数据的预处理到三维实体模型的生成。但是在不同的实际情况下, 要求不同, 需要实现的细节也不同, 因此应根据实际情况的不同要求, 采用合适的处理方法。
摘要：针对三维模型重建技术对医学研究及临床应用的重要性及必要性, 根据不同的数据来源和应用目的介绍了人体骨骼模型三维重建的不同方法与途径, 并以颅骨和磨牙模型为实例, 详细介绍了三维重建过程, 最后用相应的重建结果证明了方法的可行性与正确性。
关键词：骨骼,逆向工程,三维重建,医学影像
参考文献
[1]金涛, 童水光.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社, 2003.
[2]罗东礼, 等.医学图像三维重建中的关键算法[J].计算机工程与应用, 2005, 19:219-221.
[3]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[4]姜海波.基于CT图像的人体股骨逆向工程研究[J].机械设计与制造, 2007 (1) :130-131.
数字化三维人体模型 篇3
随着我国科学技术的不断发展,计算机技术的应用对我国各方面都产生了重大影响,尤其是在制造业方面。;三维CAD技术在上个世纪至今在航空、电子要、汽车等制造业的应用越来越广泛。三维装配工艺模型技术不断地应用到制造业方面是科技发展和行业需求的必然结果。装配工艺设计在工艺设计方面十分重要,三维装配工艺设计中的三维建模是最为重要的技术阶段。三维装配工艺模型的建模方法主要是应用在相关的设计软件方面。
1 三维装配工艺模型基本认识
1.1 三维装配工艺模型研究背景
装配工艺模型方面的研究主要是针对模型的主要内容、具体信息、管理方式以及建模的具体方法。装配工艺模型已经有了很多研究成果,具体包括:基础模型和系统模型。从上世纪计算技术在装配工艺模型的建立方面的引入和应用,到本世纪初期,装配工艺模型的构建方面的具体技术的研发已经迈入了理论应用于实践的具体运用阶段。很多研发人员在基础装配工艺模型的基础上进行研究,经检验通过得出了拥有更加丰富信息资源的装配工艺模型。例如,可以应用于虚拟设定装配情况下的以场景图为基础的模型;模型与仿真紧密联系在一起所研发的面向过程与历史的模型;分为产品、部件、零件及特征层四个层次的产品装配模型;根据装配任务和操作划分装配过程的过程信息模型以及在虚拟环境下进行实体建模等等。目前,在具体工程中的装配工艺建模技术中,仍然存在着不少缺点有待完善。装配工艺模型的相关信息不够详尽和准确,比如尺寸、公差、技术要求等等。装配工艺模型中缺少部分辅助功能的技术工艺,导致在直接得到工艺文件上存在障碍。为了弥补缺失和解决问题,本文介绍了以产品层级构成为基础的装配工艺模型,它包含产品的装配工艺的全部信息,可以实现装配工艺文件的直接生成
1.2 三维装配工艺模型概述
装配工艺设计过程主要有两个:第一、通过建立拆卸工艺模型再映射出粗装模型的粗装设计过程。具体程序是:首先通过调整将相关部件对相应的任务节点进行映射然后建立拆卸模型的结构树,然后根据层次不同由上到下的顺序,拆卸各个任务节点并对其依次拆卸的部件进行具体记录,最后拆卸过程结束得出拆卸模型,对其进行相应的计算映射出粗装配工艺模型。第二、在粗装设计的基础上对其整体进行辅助添加和具体标示从而得到更加优良的精装配模型。精装配工艺模型相对粗装配模型,更加完善,同时囊括了装配的序列路径以及辅助工艺和标注等全面信息,能够实现仿真和直接生成工艺文件的功能。
1.3 三维装配工艺模型介绍
装配工艺模型的任务结构树是由于拆卸过程中任务节点存在的一定不同关系层面的总体结构而产生的,其本身及其映射对象的关联是装配进行序列和具体工艺设计的先决基础。
装配工艺模型的任务节点所囊括的内容有对象、关联任务及工序的各项列表。任务对象列表是作为相关工序进行具体操作对象的顺序表述。关联列表是任务列表有关对象的表述。关联列表的任务是作为前提先于其他部分完成的。工序列表是个系列活动列表,不但包括了各个分部分的详细操作内容,而且分为工步和活动具体工序的。精装配工艺模型主要是包括记录装配的相关信息以及相关辅助工艺和标注信息的添加。标注信息的添加方法主要是通过将其与工步装配列表结合并设置出具体的显示与否的节点,也就是合理的在适当的位置做适当的标注添加。
通常情况下,装配的零部件需要在装配前进行相应的清理、防腐的处理和相关的适配性的检测等等。粗装配设计阶段缺少一些辅助的工艺。而在精装配设计阶段对其进行完善而进行相关的辅助工艺的增加和补充。
2 三维装配工艺模型的建模方法
拆卸工艺模型的第一任务是建立任务的结构树。拆卸工艺模型是通过拆卸部件得到的。通过拆卸工艺模型的映射得到粗装配工艺模型。本着先拆后装的原则,在任务节点固定的情况下,将任务中的工序进行逆序调整,对相同的活动中的连续活动逆序,并且对位置变换矩阵进行逆向求证,这样就得到了粗装配工艺模型。
粗装配工艺模型相对来说,对工艺信息的全面性方面有所欠缺。精装装配工艺模型相对完善一些。具体完善主要是通过增加辅助工艺、同步和增加信息标注的方式来实现的。
第一、增加辅助工艺需要在后续改良阶段及关键位置和重点对象进行。首先对增加的对象进行选择和增加一些预处理方面的程序,然后将所选部分添加到辅助列表中。对列表中的具体对象和其相关的辅助信息进行标注、记录和说明。
第二、首先对具体工艺标注进行列表添加,然后根据顺序的不同进行具体的演示、标注和拆卸并保证整体的合理性。演示拆卸活动可以分成多个部分进行。每完成一个自动认为其在编辑状态。工作人员可以在这个状态下进行信息的标注。另外,工作人员要对标注的出现和隐藏的节点进行具体的明确。
第三、装配工艺模型建立和设计的过程中存在大量的信息数据以及其中相对比较复杂的联系,因此,需要合理地安排其管理的工作和流程。建模过程中的数据走向流程的主要内容包括过程中信息的产生和后期的管理的具体方式,包含资源、信息、规则、模型、装配工艺等方面的数据库。
3 结语
本文从装配工艺设计的历史背景和以往发展过程出发,对三维装配工艺模型的数字化建模方法的应用进行了分析和研究。具体产生了装配设计的概念、三维装配工艺模型的大致分类和主要内容以及对数字化建模方法在三维装配工艺模型中的实际应用进行了阐述和介绍。三维装配工艺数字化建模方法的信息完整性和实用性有效提高设计人员的工作效率,在未来的发展中,其应用范围和作用会越来越好。
参考文献
[1]叶盛,唐家霖,鲍劲松,黄卫东.基于MBD技术的三维装配工艺系统构建及应用[J].排灌机械工程学报,2015(02):179-184.
数字校园三维模型框架的建立 篇4
首先根据高程数据, 在系统下自动生成数字地面高程模型, 然后导入建设区的数字二维图, 进行处理后, 根据建筑物的轮廓运用纹理建模的方法建立起三维模型。利用数码相机获取纹理影像, 经过处理映射到各三维地物模型上, 完成三维场景的重现, 完成属性数据的输入, 构成整个校园的三维景观模型外业工作的实施。
二、控制测量的内容
为了使后期的导线测量工作计算工作不过于复杂个繁重, 所以本文选择单一的带有支导线的附和导线, 其中结点与结点、结点与高级点间的导线长度大于等级规定导线长的0.7倍, 并且设计的导线尽量成直伸形状。
为便于测角和测边, 所以选择平坦而开阔的路线, 主要是为了测角的通视和减少大气旁向折率的影响。导线长大致相等, 可以减少因望远镜聚焦而带来的误差, 所以不能在一条导线下出现过长或者过短的导线边, 尤其避免有长边即变为短边的情况。
控制测量分为平面控制测量和高程控制测量两种。
根据起始导线边的位置以及校园的实际地形, 决定采用闭合导线的形式对园进行平面控制测量。
⑴仪器设备
南方NTS-352全站仪, 精度:2″2+2PPM, 2个棱镜, 1个三脚架, 1个米尺。
⑵控制点的布设
在测量校园的地形图时, 尤其注意点与点之间的通视, 避免建筑物的阻挡。根据起始导线边的位置以及校园的实际地形, 决定采用闭合导线的形式对校园进行平面控制测量。选取控制点的要求, 尽量布设在主要的路上, 使其能测量到的范围大, 相邻点要通视。
三、碎步测量的内容
碎部测量是利用南方全站仪在校园内某一测站点上测绘房屋建筑、花坛、绿地、道路等平面位置和高程的工作。碎部测量是在测站上进行工作的, 选择好的测站点的位置, 是测好碎部的关键之一。
首先对测站周围的地形、地物分布情况熟悉一下, 便于开始观测后及时在图上标明所测碎部点的位置及点号。仪器观测员指挥跑镜员到事先选好的已知点上准备立镜定向;自己快速架好仪器, 量取仪器高, 选择测量状态, 输入测站点号和方向点号、定向点起始方向值, 一般把起始方向值置零;瞄准棱镜, 定好方向通知持镜者开始跑点;用对讲机确定镜高及所立点的性质, 准确瞄准, 一般来讲, 施测的第一点选在某已知点上。测后从以下几方面查找原因:已知点、定向点的点号是否输错;坐标是否输错;所调用于检查的已知点的点号、坐标是否有误;检查仪器、设备是否有故障等。若测量中需要绘草图必须把所测点的属性在草图上显示出来, 以供处理、图形编辑时用。草图的绘制要遵循清晰、易读、相对位置准确, 比例一致的原则, 在野外采集时, 能测到的点要尽量测, 实在测不到的点可利用皮尺或钢尺量距.在一个测站上所有的碎部点测完后, 还要找一个已知点重测, 以检查施测过程中是否存在因误操作, 仪器碰动或出故障等原因造成的错误。检查确定无误后, 关机、搬站.到下一测站, 重新按上述采集方法、步骤进行施测。
四、利用CASS软件绘制地形图
⑴定显示区
点击“绘图处理”下拉菜单, 选择“定显示区”的命令, 出现一个对话框, 选择坐标数据文件确定显示区的大小, 然后再屏幕下方命令栏里出现提示 (最小坐标值、最大坐标值) 。
⑵选择点号定位成图
在屏幕的右侧菜单里选择, 然后出现一个对话框, 选择与定显示区一样的坐标数据文件, 然后会提示出所选择数据文件里点号的个数, 显示在命令栏里。
⑶展点
点击屏幕上方的下拉菜单“绘图处理”选择“站点”中的“展绘点号”。
草图通过人、机交互完成平面图的绘制。首先对建筑物进行绘制, 一般四角建筑物只按顺序连接三条边, 第四边由CASS制动程图根能完成, 对于多边建筑物或其他几何外形不规则的建筑物要采用软件自身的绘制多点房屋的功能一次连接每一个特征点。对于其他片状地物 (例如草地、水池等) , 需要依次连接起所有的特征点, 使其形成一个闭合的外围, 然后对其填充相应的颜色或文理使其更具有真实性。对于其他的一些地物 (如独立树、下水井盖、路灯、路缘石、栅栏等) 可根据CASS软件中的特殊地物符号的绘制功能对其进行编辑使其恢复真实的地物属性。经过以上编辑地形图的初图大致已经形成。
五、利用IMAGIS建立三维框架
⑴将在CADR14中以.DXF文件格式保存的数字化地形图导入IMAGIS中, 打开IMAGIS软件, 在其界面下点击“文件”下拉菜单选择“输入”然后选择“打开AUTOCAD (R14) 数据文件”, 在弹出的对话框中选择要导入的文件。文件被导入后将被系统默认为.3d的文件格式。
⑵对图形进行进一步的修改
文件被导入之后将会显示所有的图层而且有的图形可能会变形, 这时就要对其进行相应的修改。首先关闭一些与建模无关的冗余图层, 这样能减轻IMAGIS系统的负担, 使系统操作起来更为灵便。打开工具栏中的“图层控制”命令菜单, 在对话框中选择需要关闭或删除的图层。在IMAGIS中“图层控制”菜单也可以拥有CAD中“图层管理器”一些喜爱能够类似的功能例如图层的删除、新建、重命名等。
数字化三维人体模型 篇5
关键词：浑河,三维模型,虚拟仿真,系统功能,开发成果,辽宁沈阳
中央“振兴东北老工业基地”战略决策的实施, 为沈阳社会经济的高速发展注入了巨大的动力。随着“金廊”、“银带”、“浑南大开发”的建设, 浑河已成为沈阳城市防洪的关键所在, 近年来日益受到国家和政府的高度重视。逐年加大浑河防洪建设投入的力度, 努力提高浑河城市防洪管理的现代化水平。浑河沈阳城市段三维数字模型系统, 在综合沈阳市多年来浑河防洪减灾基础建设与信息化成果基础上完成, 是具有先进性、可靠性和实用性的研究开发成果。
1 系统功能
浑河三维数字化建模是实现对浑河 (沈阳城市段) 的三维空间虚拟仿真, 系统可满足浑河数字化仿真模拟显示功能需求, 实现试验物理模型向计算机数学模型的转换。并可将河道水位淹没成果动态显示到仿真系统中。针对浑河沈阳城市段三维数字模型子系统的开发目标, 按照实际工作的需要, 对子系统进行功能结构设计, 系统的功能逻辑结构见图1。
2 模型开发成果
2.1 空间建模
本项目采用浑河真实环境中的构造并集合物理模型基础进行三维建模。通过由美国Multigen-Paradigm (www.multigen.com) 公司开发的Creator软件进行强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能, 以及多种专业选项及插件, 能高效、最优化地生成实时三维 (RT3D) 数据库。最终将浑河沿岸的建筑和景观制作成仿真三维视景。系统数字高程模型开发是以浑河沈阳城市段1∶10000比例尺的DEM和DOM。
2.2 工程模型仿真
本项目的工程模型建模联合运用Multigen Creator、3Dmax、deepExploration等技术完成, 结合空间模型构建数字河道以及数字城市三维模型。通过vega和VC++构建的可视化驱动平台进行三维河道、城市的漫游与分析。
2.3 淹没演示
根据河道高程条件, 在三维场景中动态渲染, 计算河道边界淹没线, 并进行三维渲染, 通过视景深度计算、水面以及河岸法线计算、光照渲染效果计算等, 逼真模拟水面、河道边界变化。本系统根据浑河沈阳城市段物理模型试验的成果对流域50年一遇、100年一遇及300年一遇洪水的淹没、流态分析成果进行管理和演示。
2.4 地物交互查询
对空间信息中的重点水利工程地物信息采用数据库进行管理, 并实现空间信息与地物属性信息的交互查询与定位 (用户可通过地物列表或在地图上直接选择地物查看地物的属性) 。本系统的数据库主要为工程数据库, 数据库类型为ACCESS 2000, 主要包括河道上的坝、闸、桥和公园, 其主要库结构见表1、表2、表3。
2.5 动态飞行控制
系统可通过鼠标或键盘实现流域模型空间的联合控制, 并可将控制的过程进行录制, 从而进行浏览展示 (见图2) 。
3 结语
浑河 (沈阳城市段) 的三维空间虚拟仿真系统的研究, 实现对浑河空间信息、建筑信息与洪水信息的数字化管理, 为开展浑河的全面数字化建设奠定了坚实的平台基础, 必将在流域的规划建设、防洪减灾工作中发挥应有的作用。
参考文献
[1]李景茹, 钟登华, 刘东海, 等.水利水电工程三维动态可视化仿真技术与应用[J].系统仿真学报, 2006 (1) :116-119, 124.
数字化三维人体模型 篇6
近年来,人们也提出了一些三维城市模型,但这些模型大多是纯几何模型,而忽略了语义和拓扑层面,基本上只能用于可视化目的,对专题查询、分析或空间数据挖掘等支持很差,可重用性有限。因此有必要采用泛化建模方法,以满足不同应用场合的信息需求。CityGML由德国北莱茵河-威斯特伐利亚地区空间数据基础设施三维特别兴趣小组于2002年开始研发,致力于描述三维城市对象的共同语义信息,以期能成为三维城市模型数据交换格式标准。而三维城市模型标准化的研究,尚未引起国内学者的注意。
1 CityGML基本概念
1.1 细节层次模型(LO D)
Clark于1976年最初提出了细节层次模型的概念。根据处理分析和展示多源数据的需要,CityGML把描述三维城市对象的精细程度分为5个细节层次。LOD0实质上就是2.5维的DTM数据,可以在其上叠加航空影像或者2维地图。LOD1用块状表示建筑物,屋顶、纹理数据、植被对象在LOD2层次描述。LOD3层次描述建筑物的结构,包括墙、屋顶结构、阳台等,可以把高分辨率的纹理叠加到这些结构面上。此外,交通对象、植被对象在这一层次做了更精细地描述。LOD4层次主要对房间的内部结构、门、窗、楼梯、家具等对象进行建模。
不同细节层次,点位的定位精度要求是不一样的,如LOD1下定位精度要求为5 m,而在LOD4下要求为0.2 m甚至更小。因此可以通过LOD级别来评价三维城市数据集的质量。
由此可见,用户可根据应用需求,采用不同的层次建模。在一个CityGML数据集中,同一对象可以在不同细节层次上表示,而同一个对象的不同细节层次的数据也可以分别放在两个数据集中。细节层次模型既便于三维对象可视化展示,也便于多源数据的集成。
1.2 几何拓扑建模
如果既要维护空间完整性又要避免对象的几何描述数据的冗余,几何拓扑模型是比不可少的。ISO19107标准已建立表达空间对象的几何属性与拓扑关系的概念。然而该标准提供了大量的建模选择,如果建模目的仅局限于某一方面,该标准显得太过复杂。因此基于ISO19107,CityGML采用更为紧凑易用的模型。
CityGML用边界表达方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模,即0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等。边、面、立体等基元可以相应地聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求点、边、面、立体基元及聚合体必须满足一些完整性约束,确保模型的一致性。如几何基元内部元素必须是相离的,如果两个元素有公共边界,则该边界必须是低一维的几何基元。这些约束条件消除数据冗余,并确保拓扑关系清晰性,如任两个立体基元之间是相离的,它们的体积即为两者体积之和,反之若允许两个立体基元有交叉的话,计算它们的体积将麻烦得多。
1.3 几何语义建模
CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征方面,CityGML通过专题模型描述现实对象(如建筑物)及其属性、层次关系等。在空间特征方面,现实对象的空间属性即为几何拓扑对象。CityGML模型涵盖语义和几何拓扑两个层次体系,其优点是便于分别在各自层次体系中遍历,或在它们之间相互遍历。
1.4 闭合面和地下对象
在三维建模时,隧道、地下人行通道等地下对象,其建模方法有别于一般的地表面对象。首先不易确定其几何体类型。地上对象可直观地使用一个闭合几何体表达其形状,但对地下对象,却需要形象描述其中空部分所处的空间。ISO19107标准用外壳表达这样的中空部分。然而,既然这个外壳是闭合的,即不应存在从其内部连接到外部的通道,但这和人造地下构筑物的概念不相符合。因此,必须使模型能够较好的表达地下构筑物的入口。
另一个问题是地下对象和DTM的无缝集成。其一是在DTM中产生孔洞描述入口,然而DTM要描述地表面,要求不应存在孔洞。
当DTM和地下对象集成时,确保它们在入口处无缝接合,可用受约束三角网来实现,即把地下对象和地表相交形成的边,当作DTM的边,相交面为两者所共有。CityGML引进了“闭合面”(ClosureSurface)这个概念,对于没有闭合的对象,用虚拟的“闭合面”缝合,如这里提到的相交面。当计算体积时,把地下对象当作闭合实体来看待,当进行可视化时,把相交面设为不可见。
1.5 三维模型的简化
CityGML支持对现实对象精细化描述,但并不意味着在建模时一味地盲目追求仿真、模拟原形。对于具有几何不变性、表面材质纹理的相似性及重要的形状和位置特征(朱庆等,2003)的现实对象,如同一种类的树木、路灯、电杆等,CityGML采用几何隐含的建模方法,即建立一个逼真的三维模型(保存到VRML、DXF或X3D文件中)重复使用,三维模型的定位由表达其三维空间地理位置的参考点(referencePoint)和空间姿态参数(一个4维变换矩阵)决定。
2 专题模型
作为一种多功能三维城市数据模型和交换格式,CityGML基于ISO191XX系列标准,用GML3实现了建筑物、DTM、交通、植被、水资源、城市设施、土地利用等三维城市模型。作为示例,本文介绍DTM模型和建筑物模型。
2.1 DTM模型
地形在三维城市建模中重要一部分,CityGML用起伏要素(ReliefFeature)来描述,一个起伏要素对象描述了某一块地域的地形起伏。地形可以表现为规则格网(RasterRelief)、不规则三角形(TINRelief)、断裂线(BreaklineRelief)、质点集(一系列三维点,MassPointRelief)等。断裂线表示地形表面不连续的部分,如山脊、峡谷等,在几何上表现为三维曲线。
在CityGML数据集中,这四种地形表现形式可以灵活组合。首先,每种类型均可在不同LOD中出现,反映不同的精度和分辨率。其次,每块地表可用不同组合方式来描述,如格网和断裂线,或TIN、断裂线的组合。在这种情形下,断裂线和不规则三角网必须缝合。再次,相邻地域的地形可以使用不同的形式表达。为便于不同地域地形的组合,每一起伏要素对象用一个二维(可含“洞”)多边形来指定它的有效范围,这种方法便于对不同精度的地形进行拼合(图1)。
2.2 建筑物模型
建筑物模型是CityGML的核心,用于表达建筑物及组成部分、附属部分的空间和专题特征。图2描述了建筑物模型在LOD4下的类及其关系,图3给出四种细节层次下建筑物的展示效果。AbstractBuilding类是该模型的枢纽,它是CityObject类的子类。AbstractBuilding的派生类有BuildingPart和Building类,即把建筑物的某一部分在建模时把它当作抽象“建筑物对象”。另外,一个Building对象可以是一个复杂建筑物对象(BuildingComplex)的一部分。
建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要课题,特别是当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时。为此引入了建筑物和地表面的“交叉曲线”(TerrainIntersection)这个概念,该曲线描述了建筑物和地表面接合的确切位置,为环绕该建筑物的一个闭环。如果某个建筑物包含院子,则该曲线由两个闭环组成,依次类推。在集成时,把建筑物和地形表面进行拖拽,直至其与交叉曲线缝合,确保纹理的正确定位。因不同LOD层次的数据精度不同,所以在一个建筑物可能在不同的LOD有相应的交叉曲线。
在LOD2层次,已可以清晰分辨建筑物的各个面,如屋顶、墙、地板等。为消除数据冗余,表达它们空间属性的面几何体,同时又为表达整个建筑物的几何立体所引用。建筑物的空缺部分如窗口,用闭合面表达。一个LOD2建筑物的几何形状,可由多个立体聚合体和面聚合体组成。此外,一个LOD2的建筑物还可能包括烟囱、阳台、天线等,用BuildingInstallation表示。CityGML对这类设施的几何形状类型没有作限制,用Object Geometr y类来描述。该类是S o l i d G e o m e t r i e s(立体聚合体)、C u r v e G e o m e t r i e s(弧聚合体)、SurfaceGeometries(面聚合体)等聚合类的父类(图2)。
在LOD3层次下,建筑物的空缺部分用Opening类对象来表达,其派生类包括Door和Window等。Openings类是CityObject类的派生类,意味着可以直接从外部数据集直接引用它的对象实例。
LOD4对LOD3进一步作了补充,添加了对建筑物内部结构的描述,如“房间”为天花板、内墙、地板等面“包”住。多个房间聚合成“房间组合体”(GroupOfRooms),房间之内放置家具(Building_Furnitures)、附属设施等。CityGML区分二者的准则是前者是房间内可移动的部分,而后者是永久性地和房间固定在一起,如楼梯、柱子。在LOD4层次,门在拓扑意义上连接了两个邻接的房间,即表示门的面体在几何意义上是两个房间几何体的边界之一部分(图3)。
3 建模实例
CityGML目前主要在德国的柏林等几个城市得到了应用。柏林市建设了一个虚拟三维城市模型系统,其系统数据库基于CityGML的逻辑结构设计,用于存储和管理三维数据,目前主要有以下类型的数据:(1)地籍数据。(2)航空影像。(3)DTM(数字地型模型),20 m精度部分作为框架数据,高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据,特殊地区用TIN建模。(4)建筑物模型数据,在大约250 km2范围内采用激光扫描或摄像测量方法对建筑物进行三维重建,LOD3、LOD4层次的数据主要通过CAD或3D MAX等工具建模,然后再转换成为CityGML格式。
CityGML开发人员也做了一些应用于灾害管理方面的建模实验,如在洪水淹没仿真时,评估人员可以根据楼层的高度和楼层的地下部分,评估建筑物的受损程度;利用建筑物内部拓扑结构图,求解水、烟气等的通路,用经典的最短路径算法来计算逃生路径等。对于每一个建筑物而言,在三维模型中把它当作一个cityObjectMember看待,它的空间属性可以用不同LOD2层次的数据来描述。
4 结语
CityGML致力于提供三维城市模型数据标准,使人们避免针对不同的应用进行大量的重复建模工作,便于在网络环境下实现三维数据的交换与互操作。CityGML开发小组于2005年向OGC提交了0.3.0版本的讨论稿,今年9月份在其网站上已经发布了0.4.0版本,其专题模型还在完善之中。CityGML被OGC评为GML最佳实践项目,预计将很快成为OGC的一项标准。为使WFS规范支持CityGML,OGC已经开始做了相关的实验。波恩大学制图与地理信息学院向OGC提交了W3DS(Web 3D Service)规范的讨论稿,或许CityGML会像GML一样,成为W3DS服务的传输介质。
在软件支持方面,目前LandXplorer等软件可编辑并对CityGML进行三维可视化展示;英国Snowf lake软件公司的GO Publisher,是一款WFS服务器软件,可以从关系数据库中把三维模型数据直接发布成为CityGML数据。目前一些主流GIS软件已经部分支持GML文件的读取,如ArcGIS9等,可以期待当CityGML成为OGC标准之后,将会得到更多GIS平台软件的支持。
参考文献
[1]李军.三维GIS空间数据模型及可视化技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2000.
数字化三维人体模型 篇7
关键词：脱粒装置,脱出物,分布,三维,仿真
0 引言
为了进一步改善稻麦联合收割机脱粒装置脱出物在清选筛上的分布状态, 从而提高清选质量, 开展了对脱出物分布的试验研究。在试验过程中, 由于多方面原因, 能实测的数据是有限的, 如何从这些有限的数据中找出规律性来, 是需要研究解决的重要问题。为了解决这个问题, 前人开展了许多相关研究。邵维民等根据优化试验方案测定了脱出物中子粒和杂余沿脱粒滚筒轴向的分布曲线[1];李耀明等根据正交试验对复脱混合物的子粒和杂余的分布进行了轴向分布测定, 测定了它们的质量分数和累计质量分数[2];衣淑娟等在两种脱粒分离装置的对比试验中, 用DPS数据处理系统对采集的数据进行拟合, 得出了脱出物沿脱粒滚筒轴向和周向分布规律的回归方程[3]。以上研究均在二维平台上进行, 其轴向 (或径向) 某位置的数据只能代表该位置脱粒滚筒宽度方向 (或轴向) 的总和, 而宽度方向 (或轴向) 某位置脱出物的数值就不得而知。因此, 有必要开展三维分布模型的研究, 以了解脱出物在整个分布平面上任一点的数值。
1 三维分布模型创建
1.1 扩大数据方阵
以某水稻联合收割机脱粒试验所测数据为例, 在脱粒滚筒轴向长700mm (Y方向) 、径向宽560mm (X方向) 的脱出物分布面积上, 测得5×8=40个脱出物量值数据 (Z方向) , 要作三维空间曲面分析, 即Z值随X、Y变化的关系式则数据不足, 因此必须补充相近数据。为此, 采用了MATLAB数字信号处理系统中的“样条插值”法, 将5×8数据扩充为21×21的数据方阵 (即X和Y方向各有21个数据) 。
1.2 数值的傅利叶变换
分析5×8个原始数据方阵, 找出有代表性的X-Z和Y-Z典型截面, 并在这两个截面内, 对采用样条插值扩充后数据方阵的X-Z和Y-Z截面的数据分别作离散余弦傅利叶变换。离散余弦傅利叶变换收敛性好、系数集中, 通常只要选用3～5个变换系数即可表达该数列的特征。变换系数确定之后, 再对采用样条插值后的X-Z和Y-Z截面的数据分别作傅利叶逆变换, 即可确立Z值同时随X和Y变化的关系式。
1.3 三维分布模型建立
如何求得曲面的数学描述, 即Z值随X、Y值同时变化的相关关系, 先求2个数值在0～1之间的纯数值21×21方阵。一个是以Z值随Y值变化的离散余弦傅利叶反变换关系式为基础求得的nY, 用来和Z值随X值变化的离散余弦傅利叶反变换关系式相乘, 把X值对Z值的影响扩充至全曲面。另一个数值方阵nX以Z值随X值变化的离散余弦傅利叶反变换关系式为基础求得, 用来和Z值随Y值变化的离散余弦傅利叶反变换关系式相乘, 把Y值对Z值的影响扩充至全曲面。再把这2个已经扩充至全曲面的离散余弦傅利叶反变换关系式相乘后再开方, 即求得Z值随X、Y值同时变化的相关关系。三维分布模型的建立, 即是求解Z值同时随X、Y变化的规律。其实质是Z值随X变化的关系式后和随Y变化的关系式相乘后开方。本文处理的数据量是21×21的方阵, 故n=21。
2 脱出物各成分的分布模型
脱出物及其中的子粒分布物理模型如图1、图2所示;脱出物及其中的子粒分布数学模型如式 (1) 、式 (2) 、式 (3) 所示。
式中:n为样条插值后数据方阵单边值, n=21;ZX0、ZY0为常数项, 表示机构理想状态均匀分布值 (参见表1) ;P、Q为X方向和Y方向空间圆频率, P=5.343×10-3, Q=4.274×10-3;αX、αY为X方向和Y方向空间初相位, αX=αY=7.480×10-2;Ai、Bi为系数 (参见表1) 。
将X、Y值及其它各数值和系数代入式 (1) 和式 (2) , 即可求得不同脱粒滚筒的Z (X) 和Z (Y) , 进而可以用式 (3) 求得各测点的Z值。
3 结论
a.利用有限的测定数据, 通过MATLAB数字信号处理系统的“样条插值”扩大建立数据方阵, 经傅利叶正、反变换后, 可建立脱出物及其中的子粒三维分布数学模型。将代表筛面位置的X值和Y值的数据代入后, 可分别求得脱出物及子粒的分布数据Z值。
b.经联合收割机脱粒装置脱粒后, 分离到振动筛上的脱出物及其中各成分的分布优劣, 将影响清选质量。脱出物及其中的子粒三维仿真分布模型的建立, 为改善脱出物各成分的分布提供了理论依据, 从而有利于提高联合收割机的作业性能。
参考文献
[1]邵维民, 祝永昌, 穆浩民, 等.小型轴流脱粒分离装置的试验研究[J].农业机械学报, 1992, 23 (1) :99-103.
[2]李耀明, 徐立章, 邓玲黎, 等.复脱分离装置的理论分析及试验[J].农业机械学报, 2005, 36 (11) :56-58.
[3]衣淑娟, 陶桂香, 毛欣, 等.两种轴流脱粒分离装置脱出物分布规律对比试验研究[J].农业工程学报, 2008, 24 (6) :154-156.
[4]陈霓, 余红娟, 陈德俊, 等.半喂入联合收获机同轴差速脱粒滚筒设计与试验[J].农业机械学报, 2011, 42 (增刊) :39-42.
[5]薜定宇, 陈阳泉.高等应用数学问题的MATLAB求解[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[6]罗军辉.MATLAB7.0在数字信号处理中的应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.