基于体素模型的3D打印支撑算法

3D打印技术是通过对材料的逐层堆积来构建物体,但对模型悬空的区域需要添加支撑结构。支撑结构不仅会造成打印材料的浪费,而且会延长打印时间并对模型外表有所损伤。为此,提出一种基于体素模型的支撑算法,针对体素化后的模型,分析体素之间的相互支撑作用,并引入体素支撑能量函数概念和计算方法,计算出需要添加支撑的体素,从而得到需要添加支撑结构的区域,并由该区域生成支撑结构,之后通过实验对算法进行验证。实验结果显示该算法能够更加准确地对模型生成支撑,同时,基于体素模型的支撑算法对于模型内部支撑计算,也具有很好的适用性。

利用灰度体元模型的机载LiDAR 3D 道路提取

面向机载LiDAR数据的道路提取算法的常用数据结构存在局限:2D格网及TIN表达多次回波数据时存在的信息损失会影响提取结果的完整性且提取结果为2D形式;点云的空间结构及拓扑信息难以利用,由此导致算法设计的困难.为此,提出了一种基于灰度体元模型的3D道路提取算法.算法首先将LiDAR数据规则化为灰度体元模型(灰度为体元内LiDAR点的平均强度值的量化表示);然后选取道路种子体元进而搜寻并标记种子及其3D连通区域为道路体元;最后利用数学形态学优化提取结果.基于ISPRS提供的包含不同复杂程度的城区路网LiDAR数据测试“邻域尺度”和“灰度差阈值”参数的敏感性及提出的算法的精度.实验结果表明:56邻域为最佳邻域尺度、2为最佳灰度差阈值;道路提取的平均质量、完整度及正确率分别为70%、86.77%及81.13%;对相对平坦的单层路网及起伏较大的复杂路网均可成功提取.

基于体素的机械臂连续碳纤维3D打印路径规划

碳纤维长纤3D打印对路径的连续性和复杂构型的无支撑成型均提出了需求。传统三轴熔融沉积3D打印采用平面切片和基于轮廓的路径规划方法,由于成型方向的单一性,悬空结构无法避免支撑的产生;由于采用基于轮廓的路径规划,缺少内部几何信息,无法扩展到曲面空间。针对以上问题,提出了基于机械臂的连续碳纤维3D打印曲面切片和曲面连续路径规划方法。通过三维模型的体素化处理,保证空间信息的完整性;在无支撑无碰撞约束下,分解成系列体素曲面层,保证无支撑成型;采用Fast Marching网格测地线算法,形成曲面空间的连续等距螺旋偏置路径,并对路径进行平滑优化,保证路径的连续性;最后生成用于机械臂3D打印的Gcode路径文件。通过多种三维模型路径规划仿真对比和打印实验,证明了该方法的可行性,实现了曲面分层的无支撑连续路径规划。

基于体元模型的工程勘查三维地质建模及Geo3DML转换研究

通过对复杂地质条件进行分析和研究,建立建筑工程所在区域的三维地质模型,可为城市建设提供技术支撑。本文设计了一套基于郑州航空港项目勘探钻孔数据及地层分层资料的三维地质建模流程,该方法采用GTP建模方法,自动创建三维地层模型。同时,针对目前三维地质模型数据格式繁多,交换困难的问题,提出了广义三棱柱体元模型转换为中国地质调查局颁布的三维地质模型数据交换格式标准(Geo3DML)文件的方法。本文详细描述了Geo3DML的背景、制定过程、标准概况与试用情况,编程实现了三维地质体元模型向Geo3DML转换的技术途径和一些关键技术以及对数据输出质量控制的选项设置方法。实验表明,三维地质体元模型向Geo3DML转换的结果能够较好地表达三维地质模型几何特征和属性特征。

基于应力分布的3D打印壳模型构造与优化

近年来,愈发成熟的3D打印技术拉近了模型设计与产品制造的距离.但高昂的材料费用仍是制约其发展的重要因素.因此,如何在不改变模型外观的情况下进行模型结构的优化,以此来减少模型的打印体积、降低打印成本是亟待解决的问题.针对该问题,本文提出一种基于应力分布的壳模型构造和优化算法.该算法首先基于模型的体素化表示构造距离场,提取出初始的均匀厚度壳模型.然后基于顶点的von Mises应力,自适应的向外扩张内表面,调整各部位厚度,直到达到相关约束条件.优化得到的内表面与输入的外表面围成最终的优化模型.实验结果表明,在满足外观不变、力学稳定等约束的同时,优化得到的壳模型体积为输入模型体积的17.2%~24.4%,大幅减少了模型的打印体积,有效降低了打印成本.

基于KinectFusion的实时3D建模方法设计与实现

实时3D建模,即通过某种带有深度信息的设备对特定场景进行扫描,并输出相应的3D模型。实现这一工作的主流技术是微软研究院发布的KinectFusion,本文在其基础上使用一种基于体素块的空间信息描述方式,并发挥哈希表在检索存储方面的优势对体素信息进行管理,最终成型为一种能对室内环境进行大规模建模的家居体验软件。

基于三元DEM的露天煤矿封闭壳状包络体素建模研究

传统地质模型受自身结构性质和布尔运算效率的局限,限制了采矿模型的生成,无法满足露天矿大规模物料规划问题的需求。针对上述问题,对开采体块段模型及采矿模型进行了定义,并提出了一种基于三元DEM的露天煤矿封闭壳状包络体素快速建模方法,即煤岩模型的顶面、底面和侧面DEM建模,三元DEM经固化后即可生成煤岩体对应的封闭壳状包络体素模型。该模型介于实体模型和块体模型之间,能够保障算量精度,同时具有较高的布尔运算效率,可以现实定点、定向的尺寸和结构剖切,在传统算量地模的基础上,通过特定的结构定义,丰富剥采程序和工艺参数等技术指标属性,定制专属的采矿模型,更好地服务于露天矿物料流规划、采剥生产计划动态优化等问题。

一种三维实体模型的离散表示方法

在计算机中,传统的三维几何模型只能描述表面数据,要描述模型内部属性时,这种模型显得无能为力。体图形学(VolumeGraphics,简称VG)是计算机图形学中新发展起来的一个重要分支。三维模型的体素表示是体图形学中的基本方法,体素化是体图形学中一个不可缺少的前处理过程,其任务是把物体的表面几何形式表示离散成最接近该物体的体素表示形式,产生体数据集。该文将基于Z-buffer扩展的深度缓存原理扩展到x,y,z三个方向上,实现了复杂三维网格模型的体素化表示。实验表明该算法具有很高的执行效率,并且算法的复杂度不依赖于模型的复杂度。

基于单元重用机制的轻量化建模算法

给出了一种在三维模型中发现所有外形相同的模型单元并重用这些单元来构造轻量化模型的新方法。该方法不仅能有效地区别相同几何顶点而拓扑不同的模型单元,并且通过对模型单元进行对称不变性变换及其它优化处理,使相同单元的对齐效果和处理效率得到了进一步的提升。采用的体素化匹配方法对于PCA协方差矩阵退化情况具有鲁棒性,不需专门处理,并可以精确且高效地比较两单元。实验结果表明,该方法相比其他方法可以寻找出更多的可重用单元,速度上平均提升20倍左右,因此本方法在效果与效率上均好于已有的同类算法,并且很好的应用于模型轻量化。

基于镜面折反射全景成像的三维重建方法研究

针对基于图像的三维重建过程中成像系统获得的双视点或多视点图像不能一次性完整建模、图像匹配过程中计算复杂度高、标定繁琐的问题,设计了一种基于镜面折反射全景成像技术的单目多视角立体视觉系统及三维建模算法。该方法根据立体视觉传感器获取被测物体表面信息图像,通过阈值分割将图像分割为5个基本视图,并建立空间几何约束关系;使用离散的体素来表示被重构物体的几何信息,采用光一致性约束进行物体表面点的判断;通过轮廓体素遍历获取物体三维模型。该方法能一次性获得物体不同视角全方位图像信息,根据空间几何约束、纹理颜色约束及物体曲线约束,快速重构出物体的三维几何模型。该方法降低了匹配计算的复杂度和硬件使用成本,其有效性已在实际系统中得到了验证。

三维CAD零件异质材料建模方法

提出了一种基于CAD零件离散体素模型的异质材料建模方法,重点对多材料模型和功能梯度材料模型建模进行阐述,提出固定参考特征活动梯度源(Fixed reference features ＆ active gradient sources,FRF＆AGs)的概念,引入复合AGS和不同方向FRF的建模算子,提高异质材料/零件建模的效率和灵活性。并将传统CAD实体建模的交、并、差等布尔算子扩展到异质材料零件的建模中。最后给出了设计实例。

基于三维体素模型的功能梯度材料信息建模

以快速成型技术为背景,提出了一种基于体素模型的功能梯度材料/零件建模方法。根据八叉树结构,将复杂CAD模型离散为精确的26-邻接体素模型,选取点、线或面作为参考特征,以数字距离变换为手段,计算体素中心到特征点、线或面的最短欧氏距离,选取适当的以此距离为变量的材料组分分布函数,建立起复杂零件的功能梯度材料模型,实验证实了本方法的有效性。

三维可视化技术在矿产资源勘探领域中的应用探讨

地质体三维可视化技术的研究是“数字勘探”领域的重要组成部分,本文针对矿产资源勘探数据的特点,研究了适合地质体信息三维可视化的体素模型和空间插值算法。基于交互式数据语言(IDL),开发了三维数据可视化软件;该软件能够快速、准确地将地质体的空间展布形态以及物性特征展示出来。

基于GPU加速的高分辨率实体体素化研究

体素化是面图形学通向体图形学的桥梁,具有广泛且重要的应用。介绍体素化方面的研究进展,分析现有体素化方法在处理高分辨率实体体素化时的不足。提出以分块为基础的高分辨率实体体素化算法:在分块内部,采用基于图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)的切面光栅法对分块表面体素化过程进行加速,采用射线求交方式生成种子并进行块内填充;在分块之间,设计了3方向的种子扩散面及跨块扩散机制,避免因分块而导致的大量几何求交运算,提高了效率。针对高分辨率实体体素化结果数据量大的问题,采用低分辨率表面体素化结果进行数据压缩和索引,节省了数据存储空间。测试结果表明,该文提出的算法不仅能够进行高分辨率实体体素化,而且在GIS、地学建模和CAD等体图形学相关的领域具有重要的应用价值。

利用立体图对的三维人脸模型重建算法

利用人脸正面立体图对重建三维人脸模型,无需三维激光扫描仪和通用人脸模型·获取立体图对并校正后,利用种子像素扩张算法实现图像匹配·种子像素选取算法能使足够数量的种子像素具有可靠视差;还提出了基于视差置信度的扩张算法,降低了视差图中大面积误匹配区域出现的可能性;最后,利用碟状粒子描述和Delaunay三角剖分重建三维人脸模型·实验结果表明,文中算法能够产生光滑逼真的三维人脸模型·

基于修正SGOG编码的三维地层模型转换研究

通过解决修正球体大圆弧八叉树剖分(SGOG)编码与传统坐标系的转换问题,将面矢量三维地层模型转换为以体元为结构的三维地层模型。组成模型的体元结构均对应修正SGOG编码,可将三维地层模型融合到整个地球空间,实现地上、地下和地表的一体化。

三维模型的读取与体素化

简要说明3DS文件格式及模型数据读取方法,利用OpenGL库函数在VC++环境下分别对3DS文件中三维模型的顶点、边及面的坐标值和模型材质等进行读取,采用基于欧氏距离度量的体素化算法分别对读取到的顶点、边、面进行体素化,将以多边形网格表示的三维模型转化为6-邻域或26-邻域的体素模型,并对模型进行绘制.实验证明,程序具有较高的执行效率,能取得较好的效果.文章提出的体素模型有利于模型信号的规则化,方便模型特征信号的提取.

多源数据融合的规则体元分裂三维地质建模方法

针对传统地质建模方法中地层模型表达不精确,地层边界存在锯齿现象和模型数据量大,不能在Web端流畅加载和渲染等问题,提出了一种基于规则体元分裂的三维地质建模方法。该方法首先利用地质勘察中的钻孔与地质剖面资料进行数据转换融合,通过插值算法加密地层矢量点,然后构建规则体元并进行体元类划分,设计5种不同的规则体元分裂类型,与此同时进行体元分裂模型的数据结构设计,并通过Three.js对不规则体元数据结构进行解析和展示。在此基础上,以郑州市某区域的勘测资料为基础数据构建了三维地质模型,并进行了Web端可视化。试验证明,所构建的模型能够精确、光滑地表达不同地层结构,且能够在浏览器中实现地质体内部信息的快速渲染、空间查询和分析。

三维模型面片链码表示方法

将三维模型的三角面片表示与基于体素的链码技术相结合,提出一种基于体素的三维模型面片链码表示方法.首先对三维模型进行基于体素空间的切分,将获得的面片顶点归一化在体素顶点上,构造基于体素三角面片的模型表示;然后依据构造的体素三角面片间连接边与第3顶点的位置关系定义面片链码的数据结构;再根据连接边的类型和方向计算层次三角面片法向量的大小和方向;最后通过逐层遍历体素内归一化的三角面片,获得三维模型的面片链码表示.相应地,给出了面片链码的解码方法.文中比较了面片链码与其他三维模型压缩算法的压缩效率和时间开销,计算了不同体素粒度切分的三维模型与被切分的原始模型之间以及与体素切分模型具有同级别面片数量的原始模型之间的误差,结果表明,该方法能够有效地表达三维模型.

权值优化集成卷积神经网络及其在三维模型识别中的应用

三维模型应用广泛,如何有效地管理和分类这些数据库中的三维模型一直是人们关注的问题。然而,由于不同三维模型之间的相似性难以测量,因而很难获得一种稳健且广泛适用的三维模型分类算法。为此,提出了一种权值优化集成卷积神经网络(WOTCNN)模型,并将其应用到三维模型的分类识别中。首先,获取三维模型的深度投影视图来最大限度地保留三维模型的空间信息。然后,采用调整的VGG网络对各角度的深度投影图像进行训练并提取预测概率值。最后,通过加权集成算法获得完整三维模型的最终分类结果。对ModelNet10及ModelNet40数据库的实验表明:三维模型的平均分类准确率达到92.84%和86.51%。在预测性能方面,该网络优于普通的单卷积神经网络;在三维模型识别方面,其分类准确率能够得到显著提升。