照片建模在工业设计中的应用

一、imagemodeler照片建模技术

imagemodeler照片建模原理：如图1所示将不同角度拍摄的照片输入到imagemodeler中，将模型上的各点逐一的在这些图片上标示出来，软件利用各点在不同图片中的匹配关系，计算相机的位置以及物体点的三维空间坐标，通过尽可能的添加标示点来逼近原物体的真实形状。

二、照片建模精度比较

为了测试Imagemodeler（IM）照片建模的精度，实验通过分别使用IM照片建模与TOMS-汽车模具摄影测量系统对同一场景数据测量，比较测试规划了统一的测点和标尺，如图1所示IM测试采用NikonD90焦距为24mm的定焦相机拍摄的三张照片进行关键点提取并获取平面距离数据、空间距离数据与角度数据；如图1所示，TOMS-汽车模具摄影测量系统采用NikonD90焦距为24mm的定焦相机拍摄的25张照片进行计算，获取标志点空间三坐标并进行距离数据与角度数据的测量。通过测试，获得的如表1所示平面点距离比对数据5项，距离最大偏差为3.148毫米,平均偏差为1.285毫米；空间点距离比对数据5项，距离最大偏差为3.506毫米,平均偏差为2.155毫米；角度比对数据5项，角度最大偏差为0.175度,平均偏差为0.076度。此次实验最大空间尺寸为1629.389毫米，距离尺寸偏差小于5‰，完全可以胜任工业设计模型制作模型装配的数据测量与采集所需要的精度要求。

三、照片建模的基本流程

照片的建模流程为：首先对曲面的构造分析,在曲面画出网格线（曲面构建的扫描线）；其次是设定标尺、拍摄、标记特征点、约束以及生成特征点空间关系；然后是重建网格曲线与三维曲面。

四、照片建模辅助汽车车灯模型制作过程

以下案例采用数码相机、Imagemodeler作为数据采集工具；使用PRO-E进行曲面重构；采用三维打印机制作车灯部件并与车身进行装配。

（一）准备阶段

相机参数设定：选用固定焦距相机，将相机光圈设定为小光圈，并设定为黑白模式避免颜色上的干扰。比例尺放置：如图2设置边长为100mm的立方体作为距离与角度比例尺，确保距离与三个方向的角度精度。曲面网格线设定：对样车车灯部位造型特征以及车灯的二维设计方案进行曲面构建分析，绘制网格参考线如图2，并标示车灯边缘的相关信息；照片的拍摄：由于是小范围的曲面重构，确保拍摄的三张数码照片的取景角度在水平面与垂直面上的差异，使网格线交叉点与立方体角点都处于三张照片的拍摄范围内。

（二）照片建模阶段

此过程主要目的是标记数码相片中的特征点，并求出特征点之间的空间关系。特征点标记：利用imagemoder软件，导入如图2的三张照片，对相机进行标定时需要同时兼顾水平面和垂直面的标记点，按空间最大化的方式交错进行相机标定，可以减小误差。约束尺寸：借助场景中的立方体，约束三个角度尺寸为90度，并放置坐标轴；选取正方体边上的两个角点约束其距离为100mm。在此基础上软件自动求出网格线标示点的空间坐标关系，可以使用尺寸测量工具以及角度测量工具验证数据准确性。坐标输出：输出DFX文件。

（三）三维重构、车灯设计与模型装配

曲面重构：把DXF文件中的点数据导入PRO_E软件中，采用样条曲线连接并构建三维曲面如图2所示。大灯设计与建模：参照照片建模所获取的曲面结果，结合预先设计的车灯方案，使用PRO-E软件进行三维模型构建与调整，使车灯方向、位置与安装面与曲面结果相匹配。大灯模型制作与安装：车灯支架采用3D打印机制作，车身为玻璃钢成型，灯泡等采用车灯标准件。车灯与车身装配后效果如图2，车灯安装面与车身安装位匹配良好，方向准确，位置符合预期，满足工业设计模型制作的精度要求。

五、讨论

照片建模过程中有以下可较大影响建模结果的细节，其一、采用定焦镜头的相机进行拍摄可保持拍摄焦距的一致性，软件计算标示点空间关系将会更准确；其二、所绘制的网格线最好为平面曲线，有利于生成曲面的光顺；其三、场景中的标尺越接近被测物体尺寸测量结果越精准，同时也可以选择场景中其它已知角度与尺寸关系进行多重约束。六、结束语照片建模技术的精度虽无法与专业的三维扫描设备相比，但由于其不需要昂贵的设备，不受设备台套数的限制而影响多组实验，不受仪器台面的限制而影响测量范围，也不受时间、空间和测量环境的限制，对于工业设计模型制作等类似不需要过高精度的数据采集与测量的任务来说，这是一种低成本而且有效率的方法，也是一种适合推广的方法。

作者：饶锦锋 蔡勇 王军锋 单位：西南科技大学制造科学与工程学院