三维检测论文

三维检测论文（精选10篇）

三维检测论文 篇1

铁路是我国交通运输的重要方式之一, 是我国交通运输发展的重要方向。在实际运用过程中, 对机车车辆车轮的检测、参数管理直接关系到铁路运输的安全性和经济性。

机车车辆的车轮轮缘呈不规则的几何形状, 其几何状态参数不仅影响列车运行的速度、平稳度与安全性, 还是车轮维修的主要依据。车轮的经济镟修与精确检测息息相关, 实际应用中, 车轮维修普遍存在过度镟修的现象。车轮的精确测量比较复杂, 传统的检测方法通常是基于车轮横向廓形的二维测量, 很难完全反应出车轮真实的磨损状况, 不仅导致车轮的维修复杂、耗时, 还会造成车轮被大量的“过度”镟修。如果一片车轮被“过度”镟掉1 mm, 则车轮价值直接被浪费105元。据不完全统计, 2006年, 武汉铁路段因“过度”镟修, 浪费车轮价值3亿[1]。

本文采用基于逆向工程的三维检测技术, 以参数化建模软件Pro/E和逆向校核软件Geomagic Qualify为平台, 对车轮的3D检测与经济镟修进行了较为深入的研究, 实现了车轮全参数尺寸磨损量的定量化、精确化、可视化测量, 较好的解决了车轮检测与经济镟修的难题。

1 车轮轮缘踏面表面信息获取及处理[2]

首先, 建立各目标类型车轮参数化模型库。由于车轮种类繁多, 本文以南车成都机车车辆厂待检某类型火车车轮为例, 对车轮进行3D检测并确定镟修方案。图1为车轮3D检测并确定镟修方案的完整流程。

本文采用韩国SOLUTIONIX RexcanⅢ1.4 M高端便携式非接触三维扫描仪获取车轮表面信息。该扫描仪可对物体进行全方位精确扫描 (扫描精度<0.007 mm) , 数据自动高精度拼接 (拼接精度<0.01 mm) 。扫描过程中, 由于车轮相对庞大, 扫描仪器扫描拼接速度相对较慢。通过分析车轮几何特征, 确定只需扫描轮缘踏面以及轮辋内外侧的一部分, 可以完全满足检测要求。车轮原始扫描3D数据如图2所示。

为提高检测效率与精度, 需要对初始点云数据进行处理, 包括去噪、补洞 (因贴标记点留下) 、去除轮辋内部点云、点云精简等技术操作。处理后的点云数据如图3。

2 提取特征数据建立标准车轮模型

车轮检测只与踏面和轮辋各参数相关。为简化和提高检测效率, 三维检测的标准车轮模型只需包括车轮轮辋和踏面。

由于运行过程中的磨损变形, 车轮经常需要镟修以保证其正常工作。因此, 车轮的各参数尺寸是不断变动的, 不能直接建立其标准模型。在车轮实际维修中, 车轮是按LM型 (磨耗型) 踏面测量并镟修的。故在三维检测中, 标准车轮踏面必须是LM型。

2.1 特征参数提取

只需知道车轮直径、轮辋内径, 便可建立其标准模型。

a) 确定标准车轮模型轮辋内径

车轮在运行中, 轮辋内侧不受磨损, 可直接取其特征点云 (图4) 的拟合值为标准车轮模型轮辋内径值 (本步骤在点云数据处理之前完成) 。

b) 确定标准车轮模型轮缘厚度

图5表示LM踏面A值 (轮缘顶点到轮缘内侧距离) 与轮缘厚度的关系[3]。而轮缘顶点在火车运行过程中不接触钢轨, 因此, 车轮在磨损前后, 轮缘顶径大小及A值基本保持不变。故理论上可通过轮缘顶径最大值的位置到轮缘内侧的距离来确定轮缘厚度。

同时, 实际维修中车轮是按轮缘厚度32、30、28、26四个等级的模板来镟修的。这样, 只要比较距离轮缘内侧16、15、14三处截面特征点云拟合值大小即可。表1, 可确定该车轮标准模型的轮缘厚度为30 mm。

表中:S—截面到轮缘内侧距离;R—截面特征点云拟合半径

然而, 在车轮3D检测过程中发现:以上述分析获得的车轮模型为检测基准时, 检测结果显示轮缘外侧出现正偏差 (该处基准模型比待检车轮点云模型小) 。这表明基准模型轮缘厚度过小, 上述分析结果存在误差。

经过误差分析及实验研究确定, 检测基准车轮轮缘厚度统一采用该轮缘踏面类型下最大轮缘厚度值, 轮缘顶径取各截圆最大直径值 (相对于车轮直径来说, 该值的误差影响很小) 。

2.2 建立标准车轮模型

车轮踏面直接与钢轨接触, 是车轮受磨损的主要部位。由于无法从车轮点云模型踏面上直接获取标准车轮模型直径, 可通过前节确定的轮缘顶径值, 间接获得标准车轮模型直径值。

由图5可发现, 车轮直径与轮缘顶径存在关系, 即 (D1、D2见图6) :

将获取的车轮尺寸参数输入车轮参数化模型库, 获得标准车轮模型。

1—车轮原形轮廓线 (即标准车轮廓形) ;2—车轮磨耗后轮廓线;3—车轮璇修目标轮廓线;

3 车轮三维检测以及确定镟修方案

将车轮磨损件模型与其标准件模型对齐, 获取3D偏差色谱图及偏差值报告。结合车轮镟修模板分析检测结果, 确定最优镟修方案。在保证轮缘厚度的前提下, 降低车轮踏面镟削量, 以延长车轮使用寿命。

3.1 车轮三维检测

根据3D偏差色谱图 (图7) 检测报告, 车轮损伤情况一目了然。可以得到轮缘磨损在2mm以内, 踏面磨耗在4 mm~5.5 mm之间 (最大5.4mm) , 轮辋宽度135mm~136mm变化;轮辋厚度在可修范围, 轮缘高度已超限等各尺寸参数检测结果。

3.2 确定车轮镟修方案

车轮镟修中最重要的是确定镟修目标车轮的轮缘厚度、直径以及轮辋宽度。车轮轮辋宽度在检测中已确定。而车轮轮缘厚度与车轮直径存在如下关系, 轮缘厚度增加1 mm, 轮辋厚度要减少tanθmm (θ为轮缘角, 一般取70°) [4]。依据此关系式和检测报告确定, 车轮磨损件轮缘厚度在30 mm~31 mm, 该磨损车轮应按轮缘厚度30 mm的模板镟修, 镟修的目标车轮直径 (D1、D3见图6) :

3.3 检验镟修方案

依照以上分析结果, 建立镟修的目标车轮模型, 将其与磨损件模型对比分析。如图8, 可以看出, 该轮按照此目标车轮镟修, 轮辋厚度损失最小的情况下, 车轮轮缘及踏面损伤已全部清除, 并且轮缘厚度方向还有一定余量。依据目前的镟修模板, 该镟修方案最优。但如果镟修模板等级更多, 该轮完全可以按更大的轮缘厚度模板来镟修。

受扫描装置限制, 本文没有考虑同一轮对、转向架甚至同一车车轮轮径差引起的车轮镟削量, 也没有考虑轮辋裂纹深度引起的车轮镟削量。这些因素均影响车轮安全、经济镟修, 是进一步研究的目标。

4 结语

采用逆向工程三维检测技术, 对车轮进行3D全参数检测, 精确的反映车轮各尺寸参数的磨损程度, 并根据检测报告制定初步镟修方案, 最后在检验镟修方案的同时对其进行优化, 制定出最佳镟修方案, 将车轮的检测与维护统一起来, 为车轮的精确检测与经济镟修提供了新的方法与思路。

摘要：为克服车轮检测误差造成的过度镟修, 采用逆向工程三维检测原理, 对火车轮磨损件进行表面信息获取, 提取特征参数建立标准车轮模型。通过3D分析比对, 精确检测出车轮各尺寸参数的磨损程度, 根据3D检测报告确定初步镟修方案, 并在检验镟修方案的同时对其优化, 最终制定出最佳镟修方案, 避免由于检测误差引起的车轮轮缘及踏面的过度镟削, 达到有效节约成本的目的。

关键词：三维检测,无损检测,逆向工程,经济镟修

参考文献

[1]蒋芳政.对车轮镟修时切削量选值得探讨[J].铁道车辆, 2006, 44 (12) :36-37.

[2]张卫国, 姜军.基于逆向工程的齿轮磨损件无损检测技术[J].中国工程机械学报, 2012, 10 (2) :232-236.

[3]TBT 449-2003, 机车车辆车轮轮缘踏面外形[S].

[4]徐伟明.车轮轮辋和轮缘厚度关系的探讨[J].铁道车辆, 2004, 42 (7) :41-42.

[5]成思源, 谢韶旺.Geomagic Qualify三维检测技术及应用[M].北京:清华大学出版社, 2011.

三维检测论文 篇2

（一）历史上重大改革回眸

时间：60分钟 满分：60分

1．(10分)(2018·扬州中学调研)在处理“国与民”的关系上，梭伦改革和商鞅变法各有选择。阅读下列材料：

材料一 梭伦改革的各项原则较其细节更为重要。梭伦通过用法律手段恢复最下层各阶级的人身自由权利以及加强他们在国家的政治经济生活中的地位。他把国家(注：指雅典城邦)置于党派或氏族之上……他的法律经宗教仪节而赋有神圣之意：每一个公民都宣誓遵从。……对城邦内每一个阶级他都适度地给予责任，他倡导阶级与阶级之间的社会公正的理想。他诉之于理性、自由、温和与人道。雅典时常不能达到梭伦的标准，但它承认这些标准是其永恒的遗产。

——摘编自哈蒙德《希腊史》

材料二 商鞅把法作为树立国家权力的最重要的手段来强调……关于惩罚方面，对犯罪集体负责的原则也得到了强调。……他明令禁止父亲与成年之子或成年的弟兄在一户同居。……为了控制的目的而把民众分成小单位的基本思想在以后的帝国时代，甚至晚至民国时代，仍行之不辍。……商鞅的主要目的是建立一个以勤劳的农民和有纪律的军队为基础的统一而强大的国家，军队的士兵实际上征自农民。

——摘编自《剑桥中国秦汉史》

请回答：

(1)据材料一，概括梭伦改革中协调“国与民”之间关系的基本原则。(4分)(2)据材料二，结合所学知识，概括商鞅变法的主要目的及其对待民众的举措。(4分)(3)综合上述材料，指出梭伦改革和商鞅变法在处理“国与民”关系上的不同价值取向。(2分)解析：第(1)问，据材料一中省略号分层，逐层概括其层意即可。第(2)问第一小问，据材料二“商鞅的主要目的是建立一个以勤劳的农民和有纪律的军队为基础的统一而强大的国家”概括其目的；第二小问，据材料二中“关于惩罚方面，对犯罪集体负责的原则也得到了强调”“为了控制的目的而把民众分成小单位”总结其举措。第(3)问，两次改革在处理“国与民”关系上的不同价值取向：雅典实行民主政治，重视保护公民权利和地位；商鞅变法加强专制主义中央集权，民众只是政府实现富国强兵的工具。

答案：(1)原则：保护公民权利和地位；维护城邦利益；实行法治；责任适度，倡导公正；注重人道主义。

(2)目的：控制民众，强化集权，实现富国强兵。举措：严刑峻法；什伍连坐；实行小家庭制；奖励耕战。

(3)取向：梭伦改革中城邦重视保护公民权利和地位，视城邦与公民为一体；商鞅变法中国家控制民众，民众只是政府实现富国强兵的工具。

2．(10分)阅读下列材料：

材料一 孝文帝改革的思想和内容是恢复礼乐，是“迂腐的儒化”“消极的汉化”，学来的主要是汉文化的糟粕，汉人的繁缛腐朽。……孝文帝推行的不加扬弃的全盘汉化，尤其是大定族姓，移植门阀士族制度，这使得尚无文化积淀的鲜卑拓跋贵族迅速腐化，这严重消蚀了北魏统治者的锐气与活力，激化了社会矛盾与冲突，致使北魏统治迅速由盛转衰，归于灭亡。孝文帝的汉化改革不适合北魏国家的国情和族情，是北魏政治危机的开端，北方的革命性完全被南方的虚腐性所取代，其教训是极其深刻的。

——郝松枝《全盘汉化与北魏王朝的速亡——

北魏孝文帝改革的经验与教训》

材料二 日本有“心灵紧闭”但“眼观八方”的特征。在国弱时，他们卑谦地对外点头哈腰，默默拿来先进才智，然后悄悄在作坊里加班加点地消化，乃至超越，一旦确信自己超越了别国，便会出其不意地“创造神话”。

——陈冰《作坊里的日本》

请回答：

(1)据材料一，孝文帝改革的特点是什么？你是否认同作者对孝文帝改革评价的观点？请说明理由。(4分)(2)据材料二与所学知识，明治维新时期的日本是如何“拿来先进才智，然后……加班加点地消化”的？并举例说明当时日本“心灵紧闭”但“眼观八方”的表现。(4分)(3)综合上述材料与所学知识，你从孝文帝改革与明治维新中得到什么启示？(2分)解析：第(1)问第一小问，根据材料一中“孝文帝推行的不加扬弃的全盘汉化”可知其特点为全盘汉化；第二小问，结合所学对孝文帝改革的评价可知其积极作用大于消极作用，因而作者的观点不正确，结合孝文帝改革的积极作用说明理由即可。第(2)问第一小问，其意思是明治维新的具体措施有哪些，结合相关措施作答即可；第二小问，其意思是明治维新后日本的变化是什么，结合日本社会的变化分析作答即可。第(3)问，根据材料内容可知，孝文帝改革和明治维新都是对先进思想文化的学习，结合学习先进文化过程中应当注意的问题来分析启示即可。

答案：(1)特点：全盘汉化。观点：不同意。

理由：孝文帝改革促进了北方经济的发展和民族的大融合，加速了北魏封建化进程。(2)措施：推行殖产兴业政策，发展资本主义新经济；倡导文明开化，学习西方资本主义文明；建立新军队，开始实行义务兵役制；制定《大日本帝国宪法》，实行君主立宪制。

表现：和魂洋才。

(3)启示：要善于学习外来先进文明；但要与本国实际相结合；改革对社会转型起到了积极作用。

3．(10分)历史上对王安石变法莫衷一是，褒贬不一。阅读下列材料：

材料一 南宋大儒朱熹在讲王安石变法后果时说：“群奸肆虐，流毒四海”。稍后南宋学者罗大经说：“国家一统之业，其合而碎裂者，王安石之罪也。”

——摘编自《宋史》

材料二 一千年来王安石在中国历史上的地位，好像一个谜似的，为人们所不理解。封建学者把他看做“天变不足畏、祖宗不足法、人言不足恤”的异端，而资产阶级学者则把他捧到天上，好像在千年前他就是一个为资本主义世界设计的大人物。

——侯外庐《中国思想通史》(第四卷，1959年编写)请回答：

(1)据材料一，概括南宋学者对王安石变法的态度，结合所学知识分析其原因。(5分)(2)据材料二并结合所学知识，说明中外资产阶级学者为什么将王安石捧为“千年前他就是一个为资本主义世界设计的大人物”？(2分)(3)综合上述材料，联系所学知识，简述正确评价历史事件的原则。(3分)解析：第(1)问，根据材料一中“群奸肆虐，流毒四海”和“国家一统之业，其合而碎裂者，王安石之罪也”得出是否定王安石变法，主要原因是王安石变法中由于用人不当，出现了危害百姓的现象，并且他打击了大地主和大官僚的利益，遭到他们的强烈反对，另外还有王安石与保守派的冲突等。第(2)问，从西方资本主义发展的需要和王安石变法的内容方面进行分析。第(3)问，评价历史事件要运用辩证法分析，要把历史事件放在当时的历史条件下分析，要依据生产力发展的唯物史观进行评价。

答案：(1)态度：否定。

原因：有些变法措施加重了百姓负担；变法触动了大商人的利益，“与民争利”造成经济萧条；打击政敌、用人不当，变法存在缺陷；与守旧派冲突激烈，造成统治集团内部的分裂，导致政局动荡。

(2)资产阶级反封建的需要；王安石变法的若干措施与西方近代的经济政策有相似之处。(3)原则：一分为二的辩证评价；放在特定的历史环境中评价；用生产力的标准去评价。4．(10分)(2018·江苏名校联盟)俄国1861年农奴制改革的影响重大而深远。阅读下列材料：

材料一 在俄国，“解放”农民的是地主自己，是专制沙皇的地主政府和它的官吏。……在俄国，农奴制崩溃以后，城市的发展、工厂的增加、铁路的修建愈来愈迅速了。农奴制的俄国被资本主义的俄国代替了。……农奴被新一代的农民代替了。这新一代农民常常外出做零工，他们在城市里从流浪生活和雇佣劳动的痛苦经历中学会了一些东西。在大城市中，工厂里的工人人数日益增加。工人渐渐联合起来，展开反对资本家和反对政府的共同斗争。

——列宁《农奴制崩溃五十周年》

材料二 改革决定之所以非常复杂，就是因为它是官僚机构的改革方案。地主方案很简单，一切土地归地主。农民方案很简单，无须赎买，就得到全部土地，唯独专制制度的方案带有妥协性，错综复杂。没有政府的参加，这个方案就无法实现。……无论从哪一方面去研究1861年的改革，我们都可以发现，这是一条在所有可能向新制度发展的道路中最缓慢的道路。

——波波夫《俄国一八六一年“伟大改革”的内幕》

请回答：

(1)结合所学知识，指出地主“解放”农民的主要原因。据材料一，归纳列宁对农奴制改革的认识。(4分)(2)据材料二，说明“专制制度的方案”得以实现的重要因素。结合所学知识，指出实施这一方案的具体措施。(4分)(3)综合上述材料，结合所学知识，说明1861年改革为什么是“一条向新制度发展最缓慢的道路”。(2分)解析：第(1)问第一小问，结合时代背景分析即可。第二小问，据材料一“农奴制崩溃以后，城市的发展、工厂的增加、铁路的修建愈来愈迅速了。农奴制的俄国被资本主义的俄国代替了”“农奴被新一代的农民代替了”“工人渐渐联合起来，展开反对资本家和反对政府的共同斗争”等关键信息概括即可。第(2)问第一小问，据材料二“唯独专制制度的方案带有妥协性，错综复杂。没有政府的参加，这个方案就无法实现”分析。第二小问，结合1861年改革的具体措施总结。第(3)问，从这场改革具有很大的局限性方面进行说明，这个改革方案具有妥协性，政府自上而下推行，说明保留了大量农奴制残余，资产阶级、残余的农奴制和沙皇专制主义融为一体，形成了以军事封建为特征的帝国主义，改革实际上是对农民的一次大规模掠夺，带有欺骗性，因此1861年改革是“一条向新制度发展最缓慢的道路”。

答案：(1)原因：社会矛盾激化；维护统治。

认识：走上资本主义道路，推动近代化进程；改变阶级关系，推动工人运动兴起。(2)因素：方案具有妥协性；政府自上而下推行。措施：农奴获得人身自由；农奴赎买份地。

(3)说明：农民遭受沉重剥削；保留大量农奴制残余；保留沙皇专制统治。5．(10分)明治维新是日本国家治理现代化的起点和基础。阅读下列材料：

材料一 1872年1月，明治政府完成了重新划分行政区的工作，在全国设置了3府72县，由中央政府任命各地长官。新政府于同年9月又进行了新的官制改革，天皇亲临正院“总理万机”，各省长官直接对天皇负责。1889年颁布了《大日本帝国宪法》，天皇作为国家的最高统治者，但也必须依宪法各条之规定行使自己拥有的统治权。

——摘编自伊文成、马家骏主编《明治维新史》

材料二 鹿鸣馆现象引发的西化主义泛滥达到了文明开化的顶点。以伊藤博文为首的日本政要狂热地为西化造势，在鹿鸣馆西化的示范下，无论贫富皆以西洋为高尚，甚而主张人种改良。总之，是言必谈西洋，西洋人不穿和服，所以要穿西服。甚至竟然出现文盲海员在东京大学执教的奇闻。文明开化基本限于东京等大城市，而在农村，一眼望去仍然是江户时代的风景。

——摘编自赵德宇《日本近现代文化史》

请回答：

(1)据材料一，结合所学知识，概括明治政府推进国家治理现代化的政治措施。(4分)(2)据材料二，概括日本文明开化的特点。综合上述材料，谈谈你从明治维新的经验教训中得到的改革启示。(6分)解析：第(1)问，“政治措施”据材料一的相关信息，并结合所学知识“四民平等”逐层概括即可。第(2)问，解答时需要在认真阅读材料的基础上高度概括。“启示”的回答，一要“综合材料”，二是抓住“改革”，切忌泛泛而谈。

答案：(1)政治措施：废藩置县；加强以天皇为首的中央集权；确立代议制；废除封建等级制度，实行四民平等。

(2)特点：自上而下推行；盲目西化；学习西方庸俗化；发展不平衡。

改革启示：提高中央政府的国家治理能力；在坚持开放的前提下，立足传统创新文化。6．戊戌变法是中国近代史上一次重要的政治改革的运动。阅读下列材料：

材料一 在这百天之内，康有为及其同志推行了不少的新政。其中最要紧的有两件事。第一，以后政府的考试不用八股文，都用政治、经济的策论。换句话说，以后读书人要做官不能靠虚文，必须靠实学。第二，调整行政机构。康有为裁汰了许多无用的衙门和官职……同时他添了一个农工商总局……他们(指读书人)费了多少的心血，想从之乎者也里面，升官发财。一旦废八股，他们绝望了。难怪他们要骂康有为洋奴汉奸。至于被裁的官员更不要说，无不切齿痛恨。

—— 蒋廷黻《中国近代史》

材料二 杨锐者，张之洞入室弟子，岁馈千金，养之京师，而一切托之者也。杨锐与刘光第之入军机，亦张之洞托陈宝箴荐之者也……张之洞本为新党，自恐不免，乃请杀谭、杨等六人，以求避党祸，其忍于杀帝党久矣。

——康有为《驳后党逆贼张之洞、于荫霖诬捏伪示》

请回答：

(1)据材料一，概括百日维新的政治措施，并指出这些措施的主要意图。(4分)(2)据材料一、二及所学知识，总结戊戌变法失败的教训。(4分)(3)有学者认为康有为由于泄私愤而忽视了张之洞在维新变法中的努力。结合材料二及所学知识，说明历史研究怎样才能做到客观公正。(2分)解析：第(1)问第一小问，据材料一第二个省略号前信息概括即可；第二小问，改革科举制度是为了更好地选拔人才，调整行政机构，裁汰冗员能够提高行政效率，减少财政支出，据材料“同时他添了一个农工商总局”得出能够促进民族资本主义发展。第(2)问，据材料一第二个省略号后信息和材料二省略号后信息分别概括归纳即可。第(3)问，有学者认为康有为由于泄私愤而忽视了张之洞在维新变法中的努力与材料二的内容不一致，说明在历史研究中，要全方位地搜集材料，因为孤证不立，要尽量用第一手资料。

答案：(1)措施：改革科举制度，以策论取代八股文；调整行政机构，裁汰冗员。意图：选拔人才；减少财政支出；促进民族工业；提高行政效率。

(2)教训：改革应该循序渐进，不能操之过急；不能打击面过宽，不能树敌过多；要警惕改革中的投机者，要警惕党派之争。

三维检测论文 篇3

关键词：三维虚拟技术；自动变速器课程；可视化

目前，汽车产业发展迅速。自动变速器因其操作的便利性以及使用的舒适性，在现代汽车配置中显示出档次，在车辆中占用的比例也越来越高。自动变速器结构比较复杂，集机、电、液技术于一体，包含液力变矩器、行星齿轮组、电气控制部分、换挡执行机构等。机械部分包含了离合器、制动器、活塞机构等，而其中的油路尤为复杂，使得拆装难度加大，导致教师在授课过程中讲述原理及应用时捉襟见肘，在一定程度上影响课堂教学效果。将三维虚拟技术广泛范围应用于汽车的设计装配中，极大地提高了生产设计效率。本文则将三维虚拟技术应用到自动变速器检测与维修课程的日常教学中，以增强可视化效果。

一、目前存在的问题

1.拆装过程演示困难

目前自动变速器检测与维修教学中，普遍是教师先示范。因为学生人数众多，导致示范的过程中很多学生看不清楚。因此，在拆装过程当中由于操作的不规范或操作不得要领导致设备损坏，造成教学上设备的浪费；或者学生通过查询维修手册进行拆装，形成了一道难以逾越的藩墙。例如，自动变速器拆装部分顺序是这样描述：首先取下B2、K2、K1、K32，拆下后端盖及输出轴固定螺栓，然后取出输出轴、花键毂、太阳毂。

2.原理演示不直观

自动变速器是集机电液一体的合成体，其结构原理相对复杂，学生无法多视图地观察其内部结构，更难以理解其中的原理，因此，将其中的原理表达清楚比较困难。以自动变速器中的K2离合器为例，现在很多教学采用的是静态的图片演示或二维图片动画，内容不够形象。

二、实施方法

针对零部件和模型等表达不够清晰的问题，我们引入三维虚拟技术。

1.零部件模型建立

对自动变速器零部件进行建模是最关键的一步。本例中大部分零部件采用簡单测绘技术重构，再导入SolidWorks中。变速器模型主要由以下部分组成：

（1）行星齿轮组。行星齿轮组主要用来改变速度比和力矩的执行机构，通过离合器制动器等对其进行驱动或制动，来获得不同的速比和输出转速的方向。其中的大部分齿轮是斜齿轮，但是对斜齿轮的测量有一定的难度，如果知道斜齿轮的基本参数测量也是可以得到顺利解决的。（2）制动器和离合器。制动器和离合器是变速器中用来实现不同挡位的零部件。其中01M等采用的结构基本都是摩擦片和钢片的组合，结构比较简单。（3）滑阀箱。这是变速器的控制部分，是切换油路的执行元件，里面包含各种液控阀和电磁阀。（4）油泵。其作用是为变速箱变矩器提供液压油，其中结构主要是通过吸油和压油两个动作来完成。（5）液力变矩器。能实现动力和力矩的传递。

2.三维虚拟装配

采用SolidWorks里面的各种功能，如爆炸视图，动画仿真，视图渲染等三维虚拟技术来实现教学中的各种目标。以K2的活塞为例，简要说明三维虚拟技术在自动变速器检测维修教学中的优势。即可以利用其中爆炸图的功能，做出动画来说明其中的拆装顺序步骤；可以通过三维虚拟技术来简要说明其原理图，如工作时，活塞在液压油由1-油孔进入，由K2壳体和活塞形成空腔，进而推动3-活塞往下运动。当执行动作结束时，活塞在4-回位弹簧作用下回位。（如图1）

三、结束语

通过三维虚拟技术可以多视角地观察每个零部件的结构，甚至可以通过剖视图来看清内部结构，通过动画形象直观地说明拆卸和安装；同时，可以扩充到汽车检测维修其他部分的机械拆装维修教学，进而提高教学和维修入门的效率。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造：下册[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]郭龙.基于π演算的汽车底盘测功机智能主体VR系统的研究[D].天津：天津大学，2009.

三维物体碰撞检测包围盒算法分析 篇4

包围盒算法是目前三维交互软件中常用的碰撞检测算法, 其优点是能够实现快速碰撞检测。在这里最具代表性的就是AABB算法和OBB算法。

1.1轴平行包围盒AABB 算法

AABB (Axis-Aligned Bounding Box) 是进行碰撞检测的三维几何体的外接平行六面体, 它的每条边都平行于坐标轴。因此描述一个AABB包围盒只需要六个标量, 在构造AABB时, 要沿着物体的局部坐标系的轴向进行构造。故由AA BB构造的包围盒具有一致的方向。图1给出了一个使用AABB包围盒的例子, 它可以很简单确定包围盒的尺寸, AABB内的任意一点P (x, y, z) 都需满足:

xmin≤x≤xmax;

ymin≤y≤ymax;

zmin≤z≤zmax;

其中xmin和xmax是对象在三维场景中x方向上的最小和最大值;ymin和ymax是y方向的最小和最大值;zmin和zmax是z方向的最小和最大值。

从AABB包围盒的构造过程分析, 它的优点有以下几点:

(1) 构造难度低。因为只需分别计算物体各个元素顶点的x、y、z坐标的最大值和最小值, 如果一个顶点的个数为n, 只需6n次比较运算。

(2) 存储量很小。只需6个浮点数。

(3) 相交测试复杂度低。由于立方体有六个面, 所以只需在xy、xz、yz 三个面投影两个物体6个面, 故只需计算6次即可。

(4) 变形物体碰撞适用度较大。与OBB算法相比其缺点是紧密性较差, 尤其是对具有凹凸面的多面体, 用AABB将留下很大空隙, 导致大量的冗余包围盒相交测试。

1.2任意方向包围盒OBB算法

OBB (Oriented Bounding Box) 是最贴近三维几何体的平行六面体。其最大的特点是方向的任意性, 这使得它可以根据三维对象的形状来包围该对象。虽然该算法实现复杂, 但不会对场景的运行速度产生很大的影响。它的计算相对复杂, 需要对包围盒的方向、中心位置、尺寸分别进行计算。其中, 中心位置和方向是用均值和协方差矩阵统计量来计算的。尺寸是通过位置和方向两个量进行计算。需要进行碰撞检测的几何体是由很多三角形面片组成, 设三角形集的第i个三角形的顶点矢量为pi、qi和ri组成的包围盒包围对象的三角面片数为n, 则包围盒的中心位置m为:

undefined

协方差矩阵元素Cjk:

undefined协方差矩阵Cjk的三个特征向量是正交的, 规范化后可以作为一个基底, 用于确定OBB方向。分别计算物体所包含的各个元素的顶点在该基底的三个轴上投影的最大值和最小值, 以确定该OBB大小。如图2OBB包围盒:

从OBB包围盒的构造过程分析, 它主要得优点是紧密性好, 因为其方向的任意性, 可根据被包围对象的形状尽可能紧密地包围对象;物体在旋转时包围盒更新计算量小。当几何对象发生旋转运动后, 只要对OBB的基底进行同样的旋转即可。因此比较适用于刚体的碰撞。其缺点是构造难度大, 构造给定物体的OBB 的计算复杂;存储量相对于AABB较大, 存储一个OBB需要15个浮点数。如果两个OBB包围盒在一条轴线上的投影不重叠, 那么可以判定这两个包围盒不相交;两个OBB的相交测试最多需要15次比较运算、60次加减运算、81次乘法运算和24次绝对值运算;变形体碰撞适用度小, 当几何体对象发生旋转运动后, 只要对OBB的基底进行同样的旋转即可。因此适用于刚体的碰撞检测。

通过对AABB算法和OBB算法的分析比较 (表1) 可知, 在三维场景中可以根据不同类型三维物体使用适当算法去进行碰撞检测。

2算法改进

对于虚拟场景中某段时间内的不活跃模型, 如果采用OBB相交判断算法检测它们之间是否相交, 会浪费很多时间。为了提高虚拟场景碰撞检测的实时性能, 可以按照AABB和OBB的优点对场景中的对象进行分类, 即将碰撞检测分为两个阶段进行:第一阶段用简单的AABB算法排除不可能相交的模型对, 第二阶段运用OBB算法对未被排除并且在该时间活跃的模型对进行精确的OBB相交判断。其流程如图3所示。

2.1AABB相交对的计算

因为AABB的三边与该几何对象的局部坐标轴分别平行, 所以两个AABB包围盒相交当且仅当它们在三个坐标轴的投影都相交。

传统的AABB算法在物体发生碰撞时, 对所有的AABB两两进行相交判断, 这样将会浪费很多计算时间。一般而言, 模型的空间位置以及模型间的空间位置关系在连续的两次检测之间变化不会很大, 因此AABB相交对的集合在两次检测之间的变化也不会很大。那么可以在计算AABB相交对时利用缓冲区中上次计算结果, 将会节省很多计算时间。

组织2条链表, 一条链表存储由AABB算法计算发生碰撞的一对几何体, 其节点的数据结构如下:

Struct AABBNode

{

几何对象1;

几何对象2;

几何对象发生碰撞的次数;

}

几何对象1:主要存储对象1的AABB包围盒在x、 y、z轴上的最小坐标和最大坐标。

几何对象2:主要存储对象2的AABB包围盒在x、 y、z轴上的最小坐标和最大坐标。

其结构体如下:

Struct Item

{

Float Xmin,

Float Xmax,

Float Ymin,

Float Ymax,

Float Zmin,

Float Zmax

}

几何对象发生碰撞的次数:其作用是为了防止缓冲区过大, 采用最近最少使用算法将碰撞频率最低的几何体从链表中删除。

2.2OBB相交对的计算

相对于AABB缓冲链表来说, OBB的缓冲链表的设计要复杂些。在三维场景中, 通常在帧和帧之间都会有很强的关联性, 这就意味着虚拟环境中物体从一帧变化到另一帧时是相对静止的。假设新的碰撞总是会在上一次碰撞的多边形处发生, 那么应该把上次碰撞的相关信息存入缓冲区供当前碰撞检测使用。

该链表节点的数据结构如下:

Struct OBBNode

{

几何体信息1,

几何体信息2,

碰撞时几何信息

}

其中几何体信息1、几何体信息2是存放运动物体的几何信息。

碰撞时的几何信息包含两个几何体发生碰撞时三角形的信息、标志物体是否发生过碰撞的逻辑变量、标志该几何信息是否被反问过、时间标识。其数据结构如下:

Struct 碰撞几何信息

{

发生碰撞的位置 (三角形位置) ,

BoolbCollide, //是否发生了碰撞

BoolbUse, //碰撞几何信息是否使用过

DateDtime //发生碰撞的时间

}

每当需要检测该物体的碰撞情况时, 系统先检测该物体的碰撞几何信息字段中存放的三角形的碰撞情况, 如果发生碰撞, 则直接将结果返回;如果没有发生碰撞, 那么该缓冲区中的三角形此时也未发生碰撞, 此时需要重新检测该物体的方向包围盒, 如果新的碰撞发生, 那么将发生碰撞的三角形的几何信息返回给系统, 并将缓冲区几何信息字段中的所有值全部更新。

2.3实验结果

试验采用VC基于OpenGL实现以上改进算法。试验用例为10个球体、4个墙壁和一个地面。在物体与墙壁或者是地面发生碰撞, 则建立AABB包围盒并将碰撞几何体存入AABB缓冲链表, 当球体和球体进行碰撞时, 则建立OBB包围盒, 将碰撞的球体以及碰撞的几何信息存入到OBB缓冲链表中。

改进前与改进后的碰撞检测算法所用时间的平均值如图4所示。由图4可见, 改进后的算法在效率上优于传统的算法, 时间减少大约10%。

碰撞的效果如图5所示, 虽然在三维场景中运动的球体比较多, 但是程序能够准确判断球体之间和球体与墙壁和地面所发生的碰撞。

3结语

三维检测论文 篇5

创新意识与社会进步

一、单项选择题

1．习近平在谈到“制度自信”问题时说，“我们全面深化改革，是要使中国特色社会主义制度更好；我们说坚定制度自信，不是要故步自封，而是要不断革除体制机制弊端，让我们的制度成熟而持久”。这主要表明（）①真理最基本的属性是客观性，真理与谬误有明确的界限 ②真理都是具体的，人们追求真理是一个永无止境的过程 ③发展是物质的唯一特性，必须用发展的观点看问题 ④辩证的否定是自身的否定，是发展的环节 A．②④

C．①②

B．①③

D．③④

解析：选A 我们说坚定制度自信，不是要故步自封，而是要不断革除体制机制弊端，让我们的制度成熟而持久”。这主要表明真理都是具体的，人们追求真理是一个永无止境的过程，辩证的否定是自身的否定，是发展的环节，②④正确；①不符合题意；③错误。

2．2017年3月5日，李克强总理在政府工作报告中指出：推进供给侧结构性改革，“是一个化蛹成蝶的转型升级过程，既充满希望又伴随阵痛……”。从哲学角度看，“化蛹成蝶”的过程是（）①从实践中获得正确认识的过程 ②从普遍性中概括出特殊性的过程 ③既肯定又否定的扬弃过程 ④曲折中创新发展的过程 A．①②

C．①④

B．②③

D．③④

解析：选D 化蛹成蝶的转型升级过程，既充满希望又伴随阵痛，这是辩证否定的过程，也是创新的过程，③④正确；①不为材料所反映；应从特殊性中概括普遍性，②错误。

3．考虑到一些色盲驾驶者无法识别红绿灯，某设计师将圆形的红绿灯进行了一下小的修改，在保持原有颜色的基础上，改变指示灯的形状，将红灯变成三角形，绿灯变成方形，黄灯则保持圆形不变。这样，只要能识别出亮着的灯的形状，色盲人群即可判断此时是停是走了。这一事例说明（）①正确发现和提出问题是创新的首要环节 ②创新是对既有理论和实践的突破 ③专业知识和辩证思维是创新的源泉 ④丰富的实践经验必然促进思维创新

A．①② C．②③

B．①④

D．③④

解析：选A “考虑到一些色盲驾驶者无法识别红绿灯，某设计师改变指示灯的形状，以方便色盲人出行”，这一事例说明正确发现和提出问题是创新的首要环节，同时也说明创新是对既有理论和实践的突破，①②符合题意；专业知识和辩证思维对于创新非常重要，但创新源于社会实践，③错误；丰富的实践经验有利于促进创新，不是必然促进创新，④错误。

4．“传承不泥古，创新不离宗。”中医药界相关专家在谈到屠呦呦荣获中国国家最高科学技术奖时表示，中医药原创思维与现代科技结合，将照亮原创性成果的前路，将开拓新的研究领域，将引领世界生命科学的发展，为中国式办法解决世界医学难题作出贡献。材料蕴含的唯物辩证法道理有（）①辩证法的革命批判精神和创新意识紧密联系着 ②创新推动社会生产力、人类思维和文化的发展 ③具体问题具体分析是关于事物矛盾问题的精髓 ④人们对各种事物的认识是一个由浅入深的过程 A．①② C．②③

B．①④

D．③④

解析：选A 矛盾普遍性和特殊性辩证关系原理是关于事物矛盾问题的精髓，③错误；“传承不泥古，创新不离宗”，①当选；由“将照亮原创性成果的前路，将开拓新的研究领域，将引领世界生命科学的发展”等信息，可知②当选；④在材料中没有体现。

5．面对第三方支付机构、互联网公司、电商平台对传统银行核心业务的挑战，传统银行的危机意识不断增强，并正以积极姿态迎接挑战。为此，传统银行要（）①注重研究新情况，密切关注变化发展着的实际 ②在创新的基础上继承传统，推动传统银行业务发展 ③解放思想，放弃传统，打造传统银行新业态 ④树立创新意识，促进银行业转型升级 A．①② C．②③

B．①④

D．③④

解析：选B 传统银行应对挑战，需要树立创新意识，①④正确；创新要在继承的基础上进行，②错误；放弃传统是形而上学否定观的错误观点，③不当选。

6．2017年2月5日，中共中央、国务院公开发布《关于深入推进农业供给侧结构性改革加快培育农业农村发展新动能的若干意见》。文件提出，农业供给侧结构性改革是一个长期过程，不可能一蹴而就，还可能会经历阵痛，甚至付出一些代价，但在方向性问题上不能出太大的偏差，不能犯颠覆性错误，改革底线不能失守。上述政策的哲学依据是（）①坚持辩证法的革命批判精神 ②人民群众是社会变革的主力军 ③重视量的积累为质变创造条件 ④实践是认识的唯一途径和动力

A．①③ C．②③

B．①④

D．②④

解析：选A 农业供给侧结构性改革是一个长期过程，不可能一蹴而就，这是因为量变是质变的必要准备，③当选；不能犯颠覆性错误，改革底线不能失守，这是因为辩证法的本质是革命的、批判的、创新的，①当选；②与材料无关；实践是认识的唯一来源而非唯一途径，④错误。

7．中共十八届六中全会通过的《中国共产党党内监督条例》提出：“党的各级组织要旗帜鲜明为敢于担当的干部担当，为敢于负责的干部负责，建立容错纠错机制，宽容干部在工作中特别是改革创新中的失误。”这一机制有利于党员干部（）①根据个人的想法自主决策，勇于担当 ②发挥主观能动性，积极履行法定职责

③不畏艰难曲折，敢于犯错，大胆作为 ④研究新情况，寻找新思路，开拓新境界 A．①③ C．②③

B．①④

D．②④

解析：选D “党的各级组织要旗帜鲜明为敢于担当的干部担当，为敢于负责的干部负责，建立容错纠错机制，宽容干部在工作中特别是改革创新中的失误。”这一机制有利于党员干部充分发挥主观能动性，积极履行法定职责，密切关注变化发展着的实际，敢于突破与实际不相符合的成规陈说，敢于破除落后的思想观念；注重研究新情况，善于提出新问题，敢于寻找新思路，确立新观念，开拓新境界，②④符合题意；根据个人的想法自主决策没有做到一切从实际出发，是唯心主义的表现，①错误；“敢于犯错，大胆作为”说法错误，排除③。

8．在召开的第三届世界互联网大会上，人工智能成为焦点。百度、阿里巴巴、科大讯飞等公司纷纷发布了自己的人工智能产品。人工智能技术正席卷全球，改造着各行各业。人工智能技术（）A．拓展了劳动对象，创造了新的物质存在 B．提高了记忆效率，突破了人脑记忆规律 C．创新了劳动工具，促进了人类实践的发展 D．调整了生产关系，推动了社会制度的变革

解析：选C 材料旨在强调人工智能对各行各业的影响，这是创新促进生产力发展的体现，答案为C项；这一技术并未创造新的物质存在，A项错误；B项是否定规律客观性的错误观点；D项与材料无关。

9．历史经验表明，经济危机往往孕育着新的科技革命。1857年世界经济危机引发了电气革命，推动人类社会从蒸汽时代进入电气时代；1929年的世界经济危机，引发了电子革命，推动人类社会从电气时代进入电子时代。由此证明（）①科技革命是摆脱社会危机的根本出路 ②科学技术是社会形态更替的根本标志

③社会实践的需要是科技发展的强大动力 ④科技创新能够推动社会经济跨越式发展 A．①② C．②④

B．①③

D．③④

解析：选D “经济危机往往孕育着新的科技革命”，说明社会实践的需要是科技发展的强大动力，③正确；电气革命推动人类社会从蒸汽时代进入电气时代、电子革命推动人类社会从电气时代进入电子时代，说明科技创新能够推动社会经济跨越式发展，即创新可以推动社会生产力的发展，④正确；①②错误。

10．在治国理政实践中，总书记围绕改革发展稳定、内政外交国防、治党治国治军发表一系列重要讲话，形成了一系列治国理政新理念、新思想、新战略，为在新的历史条件下深化改革开放、加快推进社会主义现代化提供了科学理论指导和行动指南。由此可见（）①创新是改造世界的根本方法 ②实践基础上的理论创新是社会发展的先导 ③党的理论创新以社会实践为基础 ④只要创新就能推动事物向前发展

A．①② C．②③

B．①④

D．③④

解析：选C 矛盾分析法是认识世界和改造世界的根本方法，创新并不是，①不选；总书记一系列治国理政新理念、新思想、新战略，为深化改革开放、加快推进社会主义现代化提供了科学理论指导和行动指南，说明②正确；在治国理政实践中，形成了一系列新理念、新思想、新战略，这体现了党的理论创新以社会实践为基础，③正确；“只要创新就能推动事物向前发展”观点绝对，④不选。

11．从儿童时期开始，我们接受的教育大多是“非黑即白”：只有标准答案是对的，其他答案则不被允许和接受。长此以往使得我们只求被动接受“标准答案”，不敢尝试新事物。这给我们的反思是（）A．应善于寻找新思路，适度否定现存一切事物 B．要以创新思维指导我们认识世界和改造世界 C．推动教育的发展应创造思维活动的客观规律 D．需在实践中推翻真理，实现真理的自我超越

解析：选B 题干中“‘标准答案’，不敢尝试新事物”等，给我们的反思就是要重视儿童创新思维的培养，B项正确；A项中“否定现存一切事物”表述错误；规律是客观的，C项错误；真理在实践中不断完善，不能用“推翻”，D项错误。

12．理论的生命力在于创新，创新是哲学社会科学发展的永恒主题。如果不能及时研究、提出、运用新思想、新理念、新办法，理论就会苍白无力，哲学社会科学就会“肌无力”。这是因为（）①观念创新是事物功能转换的根本途径 ②创新就是对既往的否定和对现实的肯定

③辩证法的本质是革命的、批判的和创新的 ④实践基础上的理论创新推动人类思维的发展

A．①② C．②④

B．①③

D．③④

解析：选D 观念创新有利于事物功能转换，但不是根本途径，①错误；创新对即往的即有肯定也有否定，②错误；③④符合题意，入选。

二、简析题

13．阅读材料，完成下列要求。

中华民族的复兴，必然伴随着中华民族文化的兴盛。我们要坚守中华文化立场，秉持客观科学礼敬的态度，坚持创造性转化、创新性发展，用时代精神激活优秀传统文化生命力，推动中华文化现代化。我国传统文化典籍浩如烟海，把其中具有代表性的经典选取出来进行准确通俗的解读，对于推动传统文化普及传播很有必要。要服务当代、面向未来，精心组织编撰一批传统文化经典，以社会主义核心价值观为引领进行大众化阐释，让其中的精华闪亮起来，帮助人们更好地领略传统文化经典的魅力。

结合材料，运用辩证否定观知识，分析对传统文化经典进行大众化阐释对中华民族文化发展的意义。

解析：本题要求考生结合材料，运用辩证否定观知识，分析对传统文化经典进行大众化阐释对中华民族文化发展的意义，属于意义类的解答题。考生在分析说明时，要注意本题的知识限定是辩证否定观，因此考生应从辩证否定是联系和发展的环节、辩证否定的实质、辩证法革命批判精神等角度回答。

答案：①辩证否定是联系的环节、发展的环节。对传统文化经典进行大众化阐释，有利于继承中华民族优秀传统文化，发展传统文化，促进中华民族文化的发展。

②辩证法的实质是“扬弃”。对传统文化经典进行大众化阐释，有利于肯定中华传统文化的优秀成分，否定过时的消极的内容，从而促进中华民族文化的发展。

③辩证法的革命批判精神和创新意识是紧密联系在一起的。对传统文化经典进行大众化阐释，有利于剔除传统文化落后的东西，开拓文化发展新境界，促进中华民族文化的发展。

三、探究题

14．创新，新时代的关键词。大众汽车公司曾一度积压了100多万辆汽车，尽管它把产品价格降到了成本以下，仍然销不出去。在严峻的局势面前，该公司决定：将100多万辆汽车全部实行有奖销售，把每辆10 000美元的售价分成10 000张面额为1美元的奖券，中奖者可得一辆汽车。该公司四处设售票网点，到处张贴“买张试试吧，祝君走运”之类的促销广告。这一出奇的促销方式，犹如一强大的磁场，有力地抓住了人们“兴许自己一张奖券还真能买一辆汽车，即便是运气不佳，损失一美元也无所谓”的消费心理，100多万

辆汽车的奖券在3个月内便被抢购一空。

(1)请运用哲学的相关知识分析，为什么说“创新是新时代的关键词”？(2)有人认为，创新是对既有理论的否定。请你对这一观点加以评析。

解析：本题主要考查学生的理解能力、分析说明问题的能力以及辨别事物性质的能力。回答第(1)问时必须说明创新对时代的作用；回答第(2)问时必须把题目进行分解，先要说明什么是辩证的否定，再说明创新是什么，最后得出正确的结论。

答案：(1)之所以说创新是新时代的关键词，是因为创新是唯物辩证法的否定观和革命批判精神的根本要求。创新能推动社会生产力的发展，创新能推动生产关系和社会制度的变革，能推动人类思维和文化的发展。

三维检测论文 篇6

关键词：三维仿真,碰撞检测,层次模型

0 引言

碰撞检测问题按运动物体所处的空间可分为二维平面碰撞检测和三维空间碰撞检测。由于平面物体的构造都可用多边形来表示, 故其检测算法相对要简单一些;而三维物体的构造比较复杂, 所以, 其碰撞检测算法也比较困难。而由于现实的应用, 需要对真实而且复杂的现实世界实现高质量的计算机模拟。因此, 开发高效的三维空间碰撞检测技术具有重要的现实意义。

而提高碰撞检测算法的效率, 不仅仅取决于基本干涉检验算法的效率, 也与基本检测算法使用的次数有很大关系。因此, 任何对于这两方面的改进, 都能使整个碰撞检测算法的效率提高。而本文就是运用平面碰撞检测算法结合动态八叉树的三维空间碰撞检测算法, 改进了基本检测算法, 并减少其使用次数, 以此获得一种新的三维空间的快速碰撞检测算法。

1 二维碰撞检测算法结合动态八叉树算法

1.1 平面碰撞问题

近10几年来, 许多专家学者对平面碰撞问题进行了深入的研究, 并取得一些很好的结果, 提出了许多算法。而由于要研究的碰撞对象处于同一平面内, 因此, 可得到有力和巧妙的技巧, 这使得平面碰撞问题已得到很深入的研究, 并提出了很多种最优算法, 这些成熟的理论很好地解决了平面碰撞问题, 本文在这方面就不多作论述。

1.2 传统八叉树算法及其缺点

以层次模型为基础的八叉树干涉检验算法, 是一个空间非均匀网格剖分算法。它是一种表示形体的分解方法, 在复杂三维体空间表达、求解体空间中的面模型和体模型之间的位置关系等领域得到了广泛的应用。八叉树是立方单元体的一种分层表示方法, 是一种空间分割的层次数据结构, 这种表示把三维空间 (通常为正立方体空间) 递归地分成8个单元或节点。目前在八叉树结构的研究上虽然有一些成果, 但所应用的八叉树方法大多是静态表示方法。静态八叉树在碰撞检测和干涉校验等方面的效果很显著, 但其缺点也很明显:在空间方面, 主要是占用的存储空间多, 只能近似地表示形体, 不易获取形体的边界信息, 不能实时修改等;在时间及计算复杂度方面, 由于场景中三角面片数量非常庞大, 因此, 对每个三角面片进行碰撞检测, 使得计算量巨大, 而且很大部分计算的并非将要发生碰撞的关键三角面片, 使得计算的效率低下。

1.3 二维碰撞检测算法结合动态八叉树算法

1.3.1 动态八叉树的立方体表示法

动态八叉树的基本组成是基元立方体, 采用立方体的中心坐标位置和立方体的边长来描述立方体的几何信息, 如图1所示。由自定义类Cube (x, y, z, a, k) 表示基元立方体, 其中x, y, z是立方体的中心点坐标, a是立方体的边长, k是基元裂变控制按钮, 则立方体的8个顶点坐标分别为:A (x-a/2, y+a/2, z+a/2) , B (x-a/2, y+a/2, z-a/2) , C (x+a/2, y+a/2, z-a/2) , D (x+a/2, y+a/2, z+a/2) , E (x-a/2, y-a/2, z+a/2) , F (x-a/2, y-a/2, z-a/2) , G (x+a/2, y-a/2, z-a/2) , H (x+a/2, y-a/2, z+a/2) 。

有了基元立方体之后, 以它为基体, 采用自相似分解规则, 对立方体进行多级层次分解, 而实现动态八叉树碰撞检测。基元立方体产生第一次分解后, 其8个子单元的中心点坐标为:O1 (x-a/4, y+a/4, z+a/4) , O2 (x-a/4, y+a/4, z-a/4) , O3 (x+a/4, y+a/4, z-a/4) , O4 (x+a/4, y+a/4, z+a/4) , O5 (x-a/4, y-a/4, z+a/4) , O6 (x-a/4, y-a/4, z-a/4) , O7 (x+a/4, y-a/4, z-a/4) , O8 (x+a/4, y-a/4, z+a/4) 。8个子单元的边长为a/2, k是每一单元的分解控制按钮, 其初始值为false, 当该单元检测到与碰撞检测对象发生碰撞且未达到精度要求、也不是完全位于检测对象内部或外部时设为true。图2是多层次几何结构实例, 其中被填充的单元表示达到碰撞检测要求的子立方体, 该单元的k值为false, 即不再对其进行分解。

1.3.2 动态八叉树的生成方法

当基元立方体或它的子立方体检测到与检测对象发生碰撞时, 该立方体进行自相似分解。为了满足虚拟环境基本实时性要求, 采用立方体模拟检测对象。初始状态下, 基元立方体表达为Cube (x, y, z, a, k) , k=false。根据检测对象的运动范围选择参加碰撞检测的基元立方体, 与检测对象进行碰撞检测, 构造动态八叉树。动态八叉树的构造方法如下:

(1) 进行碰撞检测。选取在检测对象运动范围内的基元立方体, 根据检测对象与该立方体的碰撞情况, 如果没有发生碰撞, k值不变;如果发生碰撞, 设置k=true。

(2) 当k=false时, 该基元立方体保持静态, 结束本次循环。

(3) 当k=true时, 将其均匀分成8个子立方体。在对每个子立方体进行碰撞检测之前, 要判断它与检测对象的位置关系:完全位于对象的外部或内部, 还是其他情况。若此子立方体完全位于检测对象的外部或内部, 停止对它的检测;否则检测它是否与对象发生碰撞。检测到碰撞后, 判断它的边长是否小于精度要求, 小于精度要求, 则发出碰撞报告, 否则将其继续分解。

(4) 对每一个子立方体重复以上步骤, 直至达到精度要求为止。

1.3.3 算法基本思想

二维空间的碰撞检测算法已经很完善, 而三维空间的八叉树碰撞检测算法却存在占有存储空间巨大和运算量大的缺点, 于是, 本文提出了一种将这两种算法结合在一起的新型算法。算法基本思想是, 将三维空间中的碰撞检测对象影射到二维平面上, 然后运用成熟完善的二维平面碰撞检测算法来进行碰撞检测, 在平面上得出发生碰撞的结果后, 再进行三维空间的动态八叉树碰撞检测计算。二维平面碰撞检测算法结合动态八叉树算法的基本思想如图3所示。

(1) 将待检测对象分别影射到非平行的几个平面上, 分别生成场景的平面影射图, 并在不同的平面内部, 使用平面碰撞检测算法对检测对象进行碰撞检测, 当几个平面内任何一个平面上未检测到碰撞, 则此次循环结束, 返回重新执行 (1) 。只有当所有平面上都检测到碰撞时系统才发出碰撞报告, 并执行 (2) 。

(2) 初始化待检测对象。为了用多个基元立方体的组合来代替检测对象进行碰撞检测, 并且尽量避免出现半个立方体, 首先将检测对象最大的长宽高数值找出来并整数化, 然后取它们的最大公约数作为立方体的边长。因为基元立方体很多, 为了减少运算量, 根据检测对象的运动轨迹、范围来选取参加碰撞检测的立方体, 只检测在检测对象运动范围内的立方体, 将那些不在检测对象运动范围内的立方体排除。

(3) 立方体由八叉树动态表示。在立方体未检测到与检测对象发生碰撞之前, 被静态地表示为一个立方体, 当检测到与检测对象发生碰撞时, 它将被均分为8个子立方体, 然后检测每个子立方体是否与检测对象发生碰撞, 再将发生碰撞的子立方体8均分, 未发生碰撞的子立方体停止分解。当出现下面3种情况之一时, 停止这一子单元的递归, 不再对其继续进行分解: (1) 当该子立方体已经裂变得足够小, 即它的边长达到所要求的精度时; (2) 当该子立方体完全位于检测对象的外部时; (3) 当该子立方体完全位于检测对象的内部时。当待检测对象的外形不太复杂, 或比较有规律时, 根据子立方体8个顶点的坐标很容易判断出它与待检测对象的具体位置关系。如此循环下去直到所有递归全部停止为止。在碰撞检测过程中, 根据检测对象的运动状态及系统的精度要求来设置时间段, 在每一时间段检测一次碰撞情况, 对八叉树结构刷新一次, 使得八叉树结构总处于变化中, 从而实现动态的碰撞检测。由上述算法, 得出算法流程图, 如图4所示。

2 实验及结果分析

碰撞检测问题是确定不同的物体在空间是否占有相同区域的问题。同时碰撞检测问题不仅仅归结为一般的求交问题, 针对不同的应用对象, 碰撞检测问题涉及到检测方法的复杂性、检测算法的可靠性和效率等, 不同的检测算法具有不同的特点和面向不同的应用对象。而本文提出的二维平面碰撞检测结合动态八叉树算法, 其本身应用的对象是外表面不太复杂的对象, 而由于运用影射到平面, 用平面上的碰撞检测算法先预处理三维碰撞检测, 这就极大地减小了计算的复杂性, 而且八叉树是在平面上得出碰撞的结论之后才生成, 且范围限制在对象的运动范围之内, 这样就大大减少了基元立方体的数量, 彻底地降低了运算规模, 大大降低了空间占用率。另外, 在判断两个基元立方体是否发生碰撞上, 本算法只通过各顶点坐标间的关系来判断, 而不需要向普通八叉树算法那样大量计算三角面片的距离, 这样更是降低了算法的计算复杂性, 大大提高了算法效率。

算法针对外表不太复杂的对象, 而算法在复杂性、空间占有率及效率方面, 都优于传统八叉树算法, 而在算法可靠性即判断碰撞的准确性上略差于它, 因此, 检验本算法的可靠性成了至关重要的一点。而下面的算例中, 本算法将与传统的碰撞检测算法在可靠性方面做一番比较。这种传统的算法是一种基于体模型的碰撞检测算法, 它在默认的情况下, 在某个视角中, 用规则的几何形体来逼近或替代检测对象。由于它的可靠性受视角的影响很大, 因此, 在实验中, 本文选取了3个不同视角分别进行测试。实验中一个检测对象为立方体, 边长固定为10mm, 另一检测对象的边长由200mm减小到5mm, 而动态八叉树的精度设定为5mm, 即子立方体分解到边长为5mm时会停止分解。实验结果如表1。表中a表示立方体边长, p表示误差, 即算法认为发生碰撞时两个立方体之间的实际距离, p值后面括号内的数字为相对误差, 即p/a。表中结果表明, 二维平面碰撞检测结合动态八叉树算法的可靠性要优于这种传统的碰撞检测算法。

3 结束语

八叉树干涉检验算法, 是一种表示形体的分解方法, 在复杂三维体空间表达、求解体空间中的面模型和体模型之间的位置关系等领域得到了广泛的应用。而目前在八叉树结构的研究成果中, 所应用的八叉树方法大多是静态表示方法。静态八叉树在碰撞检测和干涉校验等方面的效果很显著, 但也存在着占用存储空间巨大、计算复杂等缺点。本文提出的结合二维平面碰撞算法与动态八叉树的新型算法, 即在真正发生碰撞前, 用相对简单的二维平面检测算法代替复杂的三维空间检测算法, 并且在最终的碰撞检测时, 摒弃传统的需要大量计算三角面片距离的八叉树干涉检验算法, 而用简单的空间坐标间的相互关系来判断是否发生碰撞。新算法在空间占用, 计算规模、复杂度以及算法效率上, 比传统八叉树法有了很大提高。但是, 由新算法本身所决定的是, 算法应用的对象是外表面不复杂的对象, 而且在碰撞的判断准确性上要差于传统八叉树法。笔者对解决这两方面缺点的预期方法是, 在新算法执行到运用动态八叉树进行碰撞检测时, 方法回归传统, 即用计算三角面片距离的方法代替用坐标判断的方法, 当然, 这样改动后的算法效果还有待进一步研究。

注: (1) 传统算法部分数据引用参考文献[7]

参考文献

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[7]齐晓松, 胡青泥, 刘晶.基于多视角的动态八叉树碰撞检测算法[J].东华大学学报, 2006 (5) .

三维检测论文 篇7

大型零件几何尺寸的检测通常使用龙门式三坐标仪、经纬仪、关节臂坐标仪等接触式测量法。但是这些传统的接触式测量方法通常效率很低,如果要检测复杂曲面零件时甚至很难进行。现在国际上新流行的方式是采用三维摄影扫描的办法进行。这种非接触式的测量方法不受被测物的大小、体积、外形的限制,可以有效地提高检测效率。

1 三维摄影扫描测量流程

三维摄影扫描测量首先要获得被测物体的表面三维点云数据,以此为基础在逆向工程软件中进行拟合测量。整个测量的基本流程如图1所示。

2 点云数据的获取

本次测量的对象为一个大型工件螺母柱,长度5 m左右,宽度1.5 m左右,厚度0.7 m左右。精加工出来的金属表面反光很强。

由于是光学测量,所以需要在整个工件表面喷一层很薄的显影剂,形成哑光面,然后贴上标志点与编码点。

点云数据的获取分为两个阶段,分别是三维摄影阶段和三维扫描阶段。三维摄影阶段是利用高像素高分辨率的数码单反相机对已经贴好编码点和标志点的工件进行多角度的拍摄,以获取测量需要的框架结构。其中的每个编码点都是唯一的,如图2所示,然后利用框架结构识别标志点,为下一阶段三维扫描做好准备工作。标志点转换到三维坐标中得到的图像见图3。三维扫描阶段是利用摄影得到的框架结构进行扫描(如图4所示),并进行拼接计算,最终得到点云数据,如图5所示。

3 点云数据的处理

得到点云数据以后要进行一定的处理才能进行拟合测量。我们采用美国Geomagic公司的Geomagic studio软件进行点云的处理,主要包括筛选删除体外孤点、杂点以减少噪声。对点云进行统一采样,降低点云数据,由700多万点减少到200万点,这样可以在不影响模型表面细节的基础上减少计算机处理的数据量,加快处理速度。然后对点云进行三角面网格化封装,最后对齐坐标系,以便后续处理。点云数据处理流程如图6所示。

4 逆向软件中进行拟合测量

点云数据经过Geomagic studio软件进行处理得到三角面封装文件后就可以导入到Imageware软件中进行拟合测量了。

以测量螺距尺寸为例,在Imageware中测量的方法如下:

(1) 利用螺母柱两侧的斜平面拟合两个面并求出它们的交线,从图纸得知螺母柱螺牙牙底圆的圆心所在轴线与交线重合可认为此交线为螺母柱片的中线。

(2) 将交线投影到螺母柱底平面所在的ZY平面(见图7),从而得到螺母柱上螺牙的中线,继而得到中线对应的投影点,如图8所示。

(3) 在同一水平面画一截线截取相应点,如图9所示。

(4) 量取相邻点之间的距离,从而一次得出单个螺距和任意连续7个螺距距离,如图10所示。

测量螺牙圆柱度的过程如下:首先截取螺牙点云,由于每个截取的点云是独立的,所以要把截取的点云合并;然后利用点云构造圆柱面;最后评估圆柱度,如图11所示。

测量平面度、距离等,方法亦类似。

5 三维摄影扫描测量精度与时间对比

为了对照,我们也采用了高精度的三坐标仪接触式测量方法来对比评估三维摄影扫描测量精度。两种测量方法对比见表1,由表1可见本文提出的方法满足高精度的要求。

检测时间包括粘贴测量标志点时间、辅助工装安装时间、相机拍摄照片和软件计算时间、三维扫描时间和后续软件数据处理的时间,共计4 h左右。而用三坐标仪测量共需约24 h。由此可见,三维摄影扫描测量可以大大节约检测时间,提高检测效率。

6 结论

通过采用三维摄影和三维扫描相结合的检测方法,获得螺母柱的完整三维型面点云数据,从而在软件中可以实现全息的三维数据检测,最终实现了对螺母柱的快速高精度检测。

摘要：介绍了基于三维摄影与三维扫描相结合的光学非接触式测量方法,对螺母柱零件进行测量,并与三坐标仪的接触式测量相比较,说明其满足高精度快速测量的要求。

关键词：三维摄影扫描技术,非接触测量,点云数据,几何检测

参考文献

[1]成思源,谢韶旺.Geomagic studio逆向工程技术及应用[M].北京:清华大学出版社,2010.

三维检测论文 篇8

光学三维轮廓检测技术在工业生产控制与检测、医学诊断和机器人视觉等领域正占有越来越重要的地位[1,2]。随着激光、计算机等高新技术的发展,光学式非接触测量技术得到广泛应用。其中,将相移技术与莫尔条纹测量技术有机结合的莫尔相位检测方法已成为国内外一个相当活跃的研究热点[3,4,5,6,7]。

本文提出了一种将莫尔投影法与相位测量技术相结合的物体表面三维轮廓测量方法。该方法利用物体表面形状对投影其上的光栅条纹图进行调制得一“变形栅”,此“变形栅”与单片机精确控制的参考光栅相对移动,从而实现莫尔条纹的精确相移,使物体三维形貌的高度信息转换为莫尔条纹图的相位信息;用CCD摄像机采集莫尔条纹的光强信息,采用三步相移技术,只需采集三幅莫尔条纹图即可解调相位值,求解被测物体表面的高度信息;最后采用相关的图像处理程序进行图像还原,从而有效实现物体表面三维轮廓的高速、自动高精度测量。

1 测量原理

1.1 莫尔投影法

所谓莫尔投影法,即用两套参数相同的成像系统,以相同的成像距离分别对两片栅距相同的光栅进行几何成像,并使两光栅投影像重合,从而获得了以XOY平面为基准的莫尔平面等高线,其原理如图1所示。其中,G1,G2分别为投影光栅和参考光栅,其栅距均为d。O1,I2分别为投影系统L1与接收系统L2的出瞳中心和入瞳中心。假设光栅G1,G2为光波投射式的线光栅。对于被测面上任一点A,根据几何投影关系和光栅分布的傅里叶级数展开形式,得到在观察方向上投影栅变形像反射到XOY平面上的分布为:

而Z=0高度时,光线应从A′反射到观察方向。在A′处光栅的分布为:

undefined

上两式中,Δ1=XZ/H+Z,Δ2=(D-X)Z/H+Z;M=H/H0,为投影光路的成像放大率;m和n均为奇数。最后观察到的分布应是两者的合成,即I(X,Y,Z)=Io(X,Y,Z)IR(X,Y,Z)。对其进行多项式展开,可得一个只含Z变量的部分和,形式为:

undefined

式(3)即是莫尔等高条纹的数学描述,其中,K为条纹分布的背影,A为条纹对比度。

1.2 相移法处理莫尔条纹数据

由于相移法具有很好的实用性,因此国际上目前在条纹图处理实际应用中,若能满足相移法的条件则大家都采用相移法。在图1的光路中,若对光栅G2横向微小移动了δd距离,则相应于式(2)的形式,可得参考光栅的分布为:

undefined

用I′R代替IR代入(3)式中,可推导出莫尔条纹的分布为:

undefined

令δ=0,1/3,2/3,即G2逐步位移了undefined和undefined,则莫尔条纹相应产生0°,120°,240°的相位移动,从(5)式可得到相应的三个光强分布I1,I2和I3。三个关系式联立,可得:

undefined

式中I1,I2,I3的分布可通过数字图像的灰度数据得到。这样,由被测物面的变形量产生的相位φ,就可逐点计算得到[8]。

2 测量光路及数据处理

2.1 测量光路

光路如图2所示。主要装置有:双胶合透镜一对(L1,L2),焦距为400mm;直流灯泡一只;聚光镜一个(L0);刻线光栅一对(G1,G2),密度为20线/mm;单片机控制的平移载物台一个;耦合镜头一组;CCD摄像机一套;配有图像数据采集卡的微机一台;磁座支架若干。

测量时,将被测物体置于静止平台上,在图示位置通过计算机控制面阵CCD采集到物体表面的第一幅莫尔条纹图;然后通过单片机控制相移驱动电路,使相移器沿Z轴方向移动两次,使第二次和第三次的莫尔条纹图分别产生120°和240°的相移,在每次相移后对莫尔条纹图进行采样,得到两幅莫尔条纹图(见图3(a),3(b))后,即可根据(6)式获得物体表面任一点的相位信息φ。

其中(a),(b)分别为相移120°、240°时的莫尔条纹图。

2.2 数据处理

通过去噪、滤波等方法,对上述三幅莫尔条纹图进行处理,得出的图像如图4所示。由式(3)式可知,级数项中的系数undefined随着n的增大而迅速减小,到第二项(n=3)时就已减小为基频项(n=1)的undefined。所以公式(3)可简化为近似形式:

undefined

由上式知,莫尔条纹亮纹位置为相位项等于2π整数倍的位置,即(2π/d)(DZN/H+ZN)=2πN,其中N为整数(本文中N=1,2,3,4,5,6)。可见亮纹峰值位置满足以下关系:

undefined

用MATLAB软件分别在以上6条莫尔条纹等高线上各取10点或20点并记录下每点的x,y坐标位置,即可分析图像中包含的三维信息。

3 结束语

本文提出将投影莫尔条纹与相位测量相结合的物体表面轮廓测量方法,利用单片机实现光栅的精确定位,准确控制相移量,最后采用相关的图像处理程序进行图像还原,从而有效实现物体表面三维轮廓的高速、自动高精度测量。

参考文献

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[7]Hung Y.Practical 3D Computer Vision Techniques for Full-field Sur-face Measurement[J].Opt.Eng.,2000,39(1):143-149.

三维检测论文 篇9

1 碰撞检测

在现实生活中,两个不可穿透的物体不能拥有一个相同的空间区域,而碰撞检测的任务就是判断在某时刻两个物体是否发生碰撞。通常碰撞检测系统的输入模型是构成几何对象的基本几何元素的集合,碰撞检测就是判断它们的交集是否为空,如不为空,即发生碰撞,还需计算碰撞点(碰撞发生的位置)。碰撞检测涉及到3D空间,几何模型表示、分层数据结构、测试方法等[2],它实质上是通过判断两个物体之间的距离(即距离检测)或重叠与相交(即碰撞检测)情况来实现的。

国内外学者在碰撞检测领域中做了很多有意义的工作,并提出了一些高效的碰撞检测算法,主要可以分为两类,空间分解法(Space Decomposition)和层次包围盒法(Hierarchical Bounding Volumes)。层次包围盒法是利用体积略大而形状简单的包围盒把复杂的几何对象包裹起来,在进行碰撞检测时首先进行包围盒之间的相交测试,计算两个待测对象中心点的距离与它们半径之和的关系,以此来判定两物体是否可能碰撞。如果包围盒相交,再进行几何对象之间精确的碰撞检测。它是一种最简单和最常用的分层数据结构,这种结构表示易于构造和移植,同时它不取决于任何模型的拓扑特性[3,4]。因此,根据实际需要,本文针对层次包围盒方法进行研究,并在全景虚拟校园中应用。

2 层次包围盒分析与比较

包围盒法的基本思想是使用简单的几何体来代替复杂的千奇百怪的几何体,在虚拟场景中对物体的碰撞检测可看作对包围盒进行检测,当包围盒相交时其包围的物体才有可能碰撞;当包围盒不相交时其包围的物体一定不碰撞;这样可以排除大量不可能碰撞的物体,并能够快速地得到碰撞的物体部位,具体层次包围盒类型有包围球、轴一致包围盒、有向包围盒、固定方向凸包包围盒、离散多面体包围盒等[5]。

2.1 包围球

包围球(sphere)是用球形来近似地表示物体或物体的一部分,再判断这些包围球是否相交,它是一种最简单的碰撞检测方法,这样仅需要测试两个球体中心的距离是否小于它们的半径和(表示发生了碰撞)。有时人们为了进一步提高碰撞精度,把将包围球分割成一系列小的球体,检查与各小球体是否发生碰撞。通过不断地分割检查,最终得到满意的近似值。包围球相交测试很简单,但是它的紧密性太差,因此较少使用。

2.2 有向包围盒

有向包围盒(Oriented Bounding Box:简称OBB)是任意方向的多面体,它不仅对位置和大小进行编码,而且对方向进行编码,因此,它具有很高的紧密性,可以根据被包围的物体的形状特点尽可能的紧密的包围物体。并成倍地减少相交测试包围盒的数目和基本几何元素的数目。在碰撞检测过程中,寻找包围盒的方向并确定包围盒的大小是定义和计算OBB的关键问题。

2.3 固定方向凸包包围盒

固定方向凸包包围盒(Fixed Direction Hull:简称FDH)是一种特殊的凸包,是由Kay和Kajiya于1986年在他们的光线跟踪算法中提出来的。FDH是用超过三对的平行平面对来逼近物体,所有物体的包围盒的面的法向量来自固定方向向量集合。FDH继承了凸包紧密性好的优点,具有AABB简单性的特点,但检测的速度相对比较慢。

2.4 离散多面体包围盒

离散多面体包围盒(Discrete Orientation Polytopes:简称K-DOPs)用由k/2对平行平面包围而成的凸多面体来包围对象物体。k为法向量的个数。通过判断k/2个法向量方向上是否有重叠的情况来判定两个包围体是否相交。法向量的个数越多,包围盒包围的物体就越紧密,求交集计算相对就越复杂,需合理地选取k的大小和平行平面对的方向,来保证碰撞检测的简单性和包裹物体的紧密性之间取得较好的折中,保证比较好的碰撞检测速度。

2.5 轴一致包围盒

轴一致包围盒(Axis-Aligned Bounding Boxes:简称AABB)是指包含物体且平行于坐标轴的最小六面体,该六面体沿着碰撞体局部坐标系统的轴向(x,y,z)构造,所有的包围盒具有方向一致性、易于确定包围盒相交状况和构建相关层次结构树。在碰撞检测初期,为快速的排除相距较远的物体时,AABB检测效率比较高,它适用于碰撞的物体个数和即将发生碰撞的物体个数远小于存在的物体个数的情况。由于AABB构建简单快速、相交测试的简单性和较好的紧密性,因此得到了广泛的应用。

3 基于AABB的碰撞检测

3.1 模型定义

AABB模型可以采用沿空间坐标轴上的最大最小值、角点或重心点来定义,其每种定义方式如下:

定义1:设沿轴线方向包围盒大小为:xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax,则对包围盒内任一点具有:

定义2:如果定义O(x0,y0,z0)为包围盒的一个角点坐标,包围盒长度分别为Dx,Dy,Dz,则有:

定义3:如果定义C(xc,yc,zc)为包围盒的重心点坐标,包围盒长度分别为Rx,Ry,Rz,则有:

3.2 AABB间的相交测试

在空间中,AABB检测主要是判断检测物体的位置状态(分离或重叠),即判断物体是否发生重叠。要判断物体是否重叠,只需判断在空间坐标轴上的投影是否重叠。因此可得到以下推论:

推论1:三维场景中两个轴一致包围盒发生碰撞(重叠)的充要条件是他们在空间坐标轴上的投影都重叠。

在三维场景中,大多数情况下物体并没有发生碰撞(重叠)。因此,不需要花太多时间建立层次结构,更不需要检查所有包围盒在空间坐标轴上的投影。在实际应用中通常采用降维的方法来提高检测的效率,满足实时快速检测和动态检测的需要。所谓降维法是指首先将所有包围盒向空间某一坐标轴进行投影;其次,将投影线段进行排序,挑选出发生重叠的包围盒对;再次,进一步检查这些包围盒对在另外两个轴上的投影是否仍然重叠。如果没有重叠,则说明两个物体没发生碰撞,无须进一步检测;如果重叠,包围盒中的物体发生碰撞的可能性较大,则进行下一层的碰撞检测(如图1所示)。这样可以省去在空间其它两个坐标轴上投影线段排序的时间,同时省去了在空间坐标轴的投影线段的比较、查找的时间。

3.3 基于AABB碰撞检测算法

基于AABB树碰撞检测算法思想是是通过建立基于AABB树,并遍历这两棵树,以确定在当前位置下两个碰撞体是否发生碰撞,这是一个双重递归遍历的过程。具体描述如下:

步骤1:构造三维场景中人(或动态对象)和碰撞体的AABB树。

步骤2:在某一时刻,使用人的AABB树的根结点遍历碰撞体的AABB树。如果发现人的AABB树的根结点的包围盒与碰撞体AABB树内部结点的包围盒不相交,则中止遍历;如果能够遍历到碰撞体AABB树的叶节点,再用该碰撞体AABB树的叶节点遍历人的AABB树。如果能到达人的AABB树的叶节点,执行步骤3。

步骤3:检测基本几何元素间是否相交测试。

3.4 算法应用

在算法实现过程中,首先建立AABB树来包围碰撞体,该树是按照由上至下的递归细分方式构建的二叉树。在每一次递归过程中取最小的AABB,沿所选择的剖分面将碰撞体分为正负两半,并将所对应的原始几何元素(如三角面)分别归属正、负两边,递归进行到每一个叶子节点只包容一个原始几何元素为止,其中对于剖分面的选择,可选择垂直AABB的最长轴,且平分该轴的平面。在南京信息职业技术学院三维场景模拟显示系统的开发过程中,选用3DMAX制作学院所有建筑的3D模型、Open GL实现一些纹理贴图、Visual C++6.0作为开发工具。在系统实现三维场景漫游过程中,利用上文算法实现碰撞检测,取得良好的效果,整体效果如图2、图3所示。

4 结束语

由于碰撞检测问题由来已久,在不同领域涌现出许多碰撞检测算法,但在实际应用过程中,可以根据实际检测的精确度和系统的实时性等需求进行选择哪种算法进行碰撞检测,也可以选择多种算法综合应用来满足虚拟现实系统的需要,进而实现完整的、实时、更具沉浸感强的虚拟世界。

参考文献

[1]彭群生,鲍虎军.计算机真实感图形的算法基础[M].北京:科学出版社,1999.

[2]高春晓,刘玉树.碰撞检测技术综述[J].计算机工程与应用,2002,38(5):9-11.

[3]马登武,叶文.基于包围盒的碰撞检测算法综述[J].系统仿真学报,2006,18(4):1058-1061.

[4]高玉琴,何云峰等.改进的基于AABB包围盒的碰撞检测算法[J].计算机工程与设计,2007,16(28):3815-3817.

三维检测论文 篇10

关键词：文检,体视显微镜,三维测量,结构光成像

文检[1], 又称文书检验、文件检验。它是一种刑事侦查技术, 同时又是一种司法鉴定手段。文检运用同一认定的原理, 采用分别检验、比较检验、综合评断的方法对犯罪嫌疑人的检材与供检样本的比对, 以确定犯罪嫌疑人是否作案, 是否要进行定罪量刑, 以达到打击犯罪, 保护人民生命和财产安全的目的。如果文检鉴定结论错误, 可能会放纵罪犯, 使违法犯罪者逍遥法外, 或者冤枉好人, 影响司法公正, 给国家、集体利益和公民的名誉、财产造成损害。所以文检技术的研究有着十分重要的意义[2,3]。

自20世纪90年代兴起基于计算机视觉技术的物体表面数字化技术至今, 该项技术已经应用到多种行业并逐步改变着人们的生活[4]。它能够建立图像与真实世界的联系, 精确地测量和还原被测物体的三维立体形貌信息, 是光学技术、电子计算机技术和信息技术等技术的融合, 是未来信息化、智能化发展的关键技术[5]。

本文运用计算机视觉技术, 精确地获取待测文检的三维信息, 即点云数据, 通过对点云的鉴定、甄别, 进而实现文检鉴定。由于三维数据具有空间不变性, 更适应与多样本比较, 更有助于鉴定的准确性。精确的定量测量, 不仅满足于目前文检鉴定手段, 更能够为未来文检鉴定提供有效的数据材料。

1 系统研究

1.1 结构光原理

结构光的基本原理是我们项目的特定模式的光 (如光栅, 等) 对被测物体的表面, 然后捕捉到的图像的对象[6]。与图像相关的, 我们能获得被测物体的高度。如图1所示, 是结构光成像原理。有一个参考平面的高度是0。光通过光栅投影到物体表面, 在空间的位置 (x, y) , 参考平面上的点的相对高度可计算如下:

P表示参考平面上的投影光的波长。L表示参考平面的摄像机的垂直距离。D表示相机投影距离。φCA表示点C与点A之间的相位差。φCA可以计算如下:

由公式 (1) , 我们可以知道, 结构光成像的关键点的相位值。主要有三种方法解决了光栅图像的相位信息:傅立叶变换的方法, 时域卷积滤波和相移。相移是公认的最有效和最可靠的方法。它具有较低的计算复杂度和高 (高容量和低容量) 防静电噪声能力。因此, 我们采用相移法计算相位信息。

当一个正弦光栅图像投影到曲面上, 这是由照相机得到的光栅图像可以表示为:

I' (x, y) 是平均灰度图像, I″ (x, y) 是灰色的模量, δ是相模。I″ (x, y) , δ和φ (x, y) 未知的。如果我们想得到它们, 我们至少需要三个方程。在我们的实验中, 相位增量, 我们可以得到四的图像, 它可以表示为:

φ (x, y) 可以从这四个相函数计算:

从式 (5) , 我们可以看到, 所有的相位值落入间隔[-π/2, π/2]。为了获得一个连续分布的相位值, 相位值需要被扩展到[-π, π]。首先, 可以根据正弦和余弦值的符号的相位值。然后, 我们使用的相位解包裹算法检索连续相位映射。主要步骤如下:

步骤1:设置T的阈值要比2π少一点, 如T=1.8π;

步骤2:从i=0开始, 执行步骤 (3) , (4) 和 (5) 直到所有的相位值已被访问;

步骤3:计算相邻点的相位差:

步骤4:如果|Δy|

步骤5:i=i+1, 转到步骤3。

图2 (a) 为例, 计算的相位值是不连续的。我们可以看到, 利用一个特定的2π区间, 将不连续的阶段通过以上的步骤得到一个连续的阶段, 如图2所示 (b) 。

1.2 系统组成

利用投影机将一组经由计算机产生的正弦强度光栅条纹投射于文检样品表面, 利用CCD相机摄取影像, 通过相移技术的方法重建被测物体的表面轮廓。如图3所示, 系统主要由计算机、显微条纹投影仪、CCD单筒显微镜。显微条纹投影仪的投影部分及CCD的光学成像部分均采用可变倍率的镜头, 这样便可以适用于不同大小视场的测量工作。

1.3 系统标定

如果相位测量误差是不存在的, 我们可以得到准确的相位。事实上, 由于非线性相移误差, 测量误差等随机因素的影响, 在得到的结果有误差由式 (4) 。为了提高相位测量精度, 我们需要校准的系统参数。有三个参数:P, L和D的值需要校准, 如图1所示, 在参考平面上的投影光的波长P, 从CCD相机中心到参考平面的距离, 从CCD摄像头的中心到中心的距离的投影机。根据三角关系, 我们可以得到以下方程:

设x=L, y=2πD/P

从式 (9) , 我们可以看到, 如果h和φcd是已知的, x和y可以计算。所以我们给两个不同的高度:h1和h2。φcd1和φcd2可以计算采集到的图像由式 (5) 。我们可以从两个方程由式 (9) 。x和y可解。

2 实验结果

四步相移加编码方法和三维传感技术相结合, 即投影仪将计算机产生的正弦强度光栅条纹投射于被测物上, 本文系统将投射4幅正弦条纹图和9幅编码条纹图。投射条纹将会因被测物表面的深度变化而产生变形, CCD采集被测物体的位图, 实现被测物体的三维重构。如图4, 用于文件样本的采集过程。

在文检工作中, 利用本文所设计的显微三维测量系统, 可有效地使用于朱墨时序检验、样本比对检验。如图5所示, (a) 图为二维图像, (b) 图为三维点云显示, 从印章印记和书写笔记在纸面上留下痕迹厚度等信息, 可以直观观察获得结果。如图6所示, 为两个“十”字, 左侧先写横后写竖, 右侧为先写竖后写横; (a) 图为未处理的三维点云显示, 由于样本纸张的褶皱等原因, 容易引入误差, 我们通过对纸张采集减少由于纸张引入的误差的印象, (b) 图为处理后的点云效果, 可以直观观察获得结果。

3 结论

本文中, 将相移技术引入显微测量技术应用之中。通过将条纹投影、CCD采集和视场范围变化相结合, 精确地重构被测物体的三维信息, 在1~20 mm视场范围, 最高测量误差低于1μm。而能够达到这些指标的系统, 对于文检研究有着十分重要的意义, 能够有效和准确地还原书写笔记的三维形貌。最后, 对本文系统进行应用性实验, 证明其具有较高的实用性和有效性。

本文是对显微三维测量系统在文检工作中的尝试性应用研究, 虽然获得较好的效果, 但还需要不断深入研究和完善。

参考文献

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