基于增材制造的倾斜摄影技术研究与实践

钱磊 沈雪梅

摘要：本文分别介绍增材制造技术、倾斜摄影技术，选择城市某一区域作为试验区，利用无人机倾斜摄影获取该地区数据，并采用Contextcapture、进行数据处理，最后通过Geomagic Wrap、Cura的二次开发，将倾斜摄影技术与增材制造技术有机结合，实现三维重建与增材制造的同步完成。通过对于该技术的研究，我们可以以很低的代价同时获取三维模型与实体模型，实现快速建模与快速制造的技术联动，是一种快捷高效的打印技术。

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.

關键词：三维重建;增材制造;三维建模技术

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

1  增材制造概述

增材制造（additive manufacturing，AM）技术是基于离散-堆积原理，综合运用计算机辅助设计、材料成型、数控加工等技术，通过软件系统、数控加工系统将特殊材料按照挤压、烧结、熔融等方式层层叠加堆积成型，制造出目标物的制造技术。相对于传统的材料削减，这是一种“从无到有”叠加成型制造目标物的制造技术[1]。

增材制造技术同传统技术比较，不需要较多的加工工序和刀具、夹具等器材，只需要在计算机设备上设计出所需的三维模型就可快速而精确地制造出零件，解决了以往复杂结构零件难以制造成型的问题，并有效地减少加工工序，缩短加工周期[2]。同时，对于结构复杂、结构较大难以制造的零件，其制造的效率越高[3]。（图1）

2  倾斜摄影技术概述

倾斜摄影测量是目前国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，该技术分别从垂直、倾斜等不同角度采集影像[4]，获取地面物体高分辨率的图像纹理，是当前一种高效的三维建模技术。同时成本相对较低，可以真实的反映地面物体周围情况。（图2）

3  实验过程

3.1 无人机倾斜摄影系统

此次试验釆用大疆Phantom 4 Pro+ V2.0四轴自带云台飞行器，手动环绕航拍获取不同方向的影像数据。相机倾斜角度设置为45°，通过不同飞行高度获取倾斜方向的影像，同时运用大疆飞行软件获取相机曝光时刻的地理位置信息和姿态信息。相关参数如下：

①平均飞行高度180m-220m。

②航向重叠度80%，旁向重叠度70%。

③相机采用1英寸CMOS传感器，有效像素2000万，配备FOV84°8.8mm/24mm、f/2.8-f11带自动对焦镜头。

3.2 技术要求

网络RTK观测的基本条件要求如表1。

两次初始化成果须野外比对结果，比对值为两次初始化采集的最后一个历元的空间坐标，较差必须小于Mo;不符合时，加测一次。取较差满足精度要求的两次作为观测成果。如果三次较差均超出精度指标，则在其他时间段重新观测。所有观测数据、记录均需要保留，作为对测区成果稳定性、可靠性的考察[5]。

3.3 数据处理

此次试验采用Bentley公司实景建模软件Contextcapture，该软件具有数据量小、兼容多种数据格式，同时可以真实体现模型细节，具有模型的地理信息。

数据自动三维重建：将无人机航测采集的影像数据和控制点信息导入自动建模软件，便可以生成试验区域的实景三维模型，经过后处理编辑和加工，便可自动生成实景三维。

无人机倾斜摄影测量数据采集过程如图3所示。

3.4 模型优化修复

①结构修正，对于生产出的三维模型来说，部分位置出现结构缺失、拉花、凸起或凹下，对此可以使用Geomagic Wrap进行结构修复。

②纹理修复，模型经过结构修正后，由于原片及软件重建会出现部分纹理色彩失真、移位、缺失等，对此可以使用贴图大师软件与PS联动进行修复。

3.5 模型二次开发

本次实验采用当前3D设计和打印领域最流行的软件Cura。

作为一款三维模型切片软件，其主要作用是将模型分层切片，根据模型的形状生成不同的打印路径，从而生成整个三维模型的Gcode命令代码，可导出脱机打印，导出的文件扩展名为“.stl”，插入3D打印机即可打印[6]。

本次实验的相关参数如下：

设置层厚0.2mm，壁厚1.2mm;填充顶层/底层厚度0.8mm，填充密度20%;打印速度60mm/s。（图8）

3.6 其他技术实践

利用上述技术原理及相关处理方法，在合肥市植物园进行了其他地面建模的实践和验证。在合肥市植物园部分区域，通过倾斜摄影测量技术进行初始三维建模，并对区域内不同尺寸的物体进行了三维精细化建模。（图9-图12）

利用无人机低空灵活飞行的特点，克服了传统建模无法收集目标物顶部及上部纹理和形态数据的缺陷;同时高质量获取侧面纹理和数据来辅助精细建模，将传统方法与无人机倾斜摄影测量技术相结合[6]，完成目标物的精细建模。对模型局部缺陷进行修补，并导入相关软件进行模型的二次开发。

4  总结

该技术结合无人机倾斜摄影测量技术和增材制造技术的优点，利用无人机低空飞行获取地面目标物高分辨率的图像纹理，解决了倾斜摄影实景模型细节补充和精细建模的问题，丰富了建模数据釆集的手段[7]。同时，结合增材制造技术将获取的目標物模型导入二次开发，生产出实体模型，是一种成本相对较低、快捷高效的打印技术。

参考文献：

[1]袁芬，李彪，吴宏涛.激光选区融化（SLM）设备引进要点探讨[J].内燃机与配件，2019（13）：125-126.

[2]闫景玉，马俊飞，陈龙，等.EBM成形零件后处理工艺研究[J].教练机，2016（2）：25-28.

[3]赵晓.激光选区熔化成形模具钢材料的组织与性能演变基础研究[D].湖北：华中科技大学，2016.DOI：10.7666/d.D01078492.

[4]余凯.倾斜摄影测量在水利工程测绘中的应用[J].城镇建设，2019（10）：154.

[5]周忠，吴何.基于CORS系统的航控外业测量[J].城市建设理论研究（电子版），2015，5（14）：2601-2602.

[6]周登攀.基于3D打印技术的注射模具随形冷却水道的制造[J].长江工程职业技术学院学报，2017，34（4）：20-23.DOI：10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.04.007.

[7]程彬.基于Arduino系统的3D打印机的软硬件设计[D].重庆理工大学，2017.

[8]谭仁春，李鹏鹏，文琳，等.基于无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化[C].//全国测绘科技信息网中南分网.全国测绘科技信息网中南分网第三十次学术信息交流会 论文集.2016：397-401.

[9]冯笑妍.面向城市基础数据更新的无人机倾斜摄影三维建模技术探讨[J].科技创新导报，2017，14（23）：23-24.DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.23.023.