基于多视图的交互式机械建模-周艳杰.pdf

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1、 _ _ _ _ 10459 _ _ 201212171977 _ _ 硕 士 学 位 论 文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2015 _ 5 _ _ A thesis submitted to Zhengzhou University for the degree of Master Interactive Mechanism Modeling From Muti-view Images By Yanjie Zhou Supervisor: Prof. Bing Zhou C

2、omputer Application Technology School of Information Engineering May 2015 _ _摘 要 I 摘 要 三 维 建 模 一 直 是 计 算 机 图 形 学 研 究 领 域 的 热 点 问 题 ， 三 维 模 型 被 广 泛 应 用 于逆向工程、影视娱乐、虚拟现实、科研、 军事、文物保护和三维打印等领域。 三 维 建 模 已 经 有 几 十 年 的 历 史 ， 最 近 几 年 不 断 提 出 了 新 的 交 互 式 建 模 方 法 ， 这 表 明 该 课 题 仍 然 具 有 很 大 的 困 难 和 挑 战 ， 同 时 也 是

3、一 个 十 分 活 跃 的 领 域 。 目 前 常用的三维建模方法有：基于交互式软件手工创建如 MAYA 、3D Studio Max 、 SoftImage 和 CATIA 等； 基于仪器获得物体表面的数据，重建物体的三维模型， 如三维扫描仪、 数码摄 像相机和 CT 等， 如基于多视图的建模， 即利 用数码相机 拍摄一组场景照片， 从乱序图像序列中获取场景中的三维模型 。 本文 主要 是针 对机 械模 型进 行建 模， 机械 模型 一般 由简 单的 基元 部件( 如： 齿轮、 圆柱 、长 方体 和 平面等) 构成 ， 基 元部 件经过 机械 装配 组成 比 较 复杂 机械 系统 ， 机 械

4、 系 统 往 往 会 存 在 重 复 的 基 元 部 件 。 机 械 模 型 基元 部 件 之 间 具有较强 的 运 动 链 接 关 系 ， 因 而 各 个 基 元 部 件 之 间 又 存 在 着 类 如 平 行 、 垂 直 、 共 线 和 共 面 等 的 几 何 关 系 。 机 械 模 型 基 元 部 件 之 间 往 往 存 在 遮 挡 问 题 ， 本 文 采 用 基 于 多 视 图 的 三 维 建 模 方 法 有 效 的 解 决 了 基 元 部 件 之 间 的 遮 挡 问 题 。 机 械 建 模 的 瓶 颈 在 于 设 计 师 要 花 费 大 量 的 时 间 和 精 力 来 打 造 高 品

5、 质 的 三 维 模 型 。 尽 管 机 械 建 模 还 受 其 它 因 素 的 影 响 ， 本 文 仅 围 绕 着 快 速 、 高 效 的 机 械 模 型 建 模 展 开 研 究 和 探 讨。 本文提 出 了 一 种 基 于 多 视 图 的 交 互 式 机 械 模 方 法 ， 系 统 的 输 入 是 一 组 机 械 模 型 照 片 序 列 ， 因 此 能 够 有 效 的 处 理 三 维 建 模 过程中 机 械 部 件 之 间 的 遮 挡 。在 交 互 式 建 模 过 程 中 ， 用 户 只 需 选 择 一 个 视 图 ， 通 过 简 单 的 画 几 笔 就 能 完 成 对 基 元 部 件 的

6、 建 模 。 当 所 有 基 元 部 件 建 模 工 作 分 别 完 成 以 后 ， 进 行 几 何 关 系 优 化 以 提高生成 模 型 质 量 。 生 成 的 三 维 模 型 不 仅 包 含 基 本 的 几 何 信 息 ， 而 且 包含机械 运 动 结 构 信 息 。 实 验 结 果 表 明 ， 我 们 的 系 统 不仅 可 应 用 于 简 单 的 机 械 玩 具 建模 而且还可以应用于真实的机械 的 物体。 关 键词: 基于图像的 建模; 多视图; 机械建模；三维打印 _Abstract II Abstract Three-dimensional modeling has been a

7、hot issue in the field of computer graphics research. 3D models are widely used in reverse engineering, television and entertainment, virtual reality, scientific research, military, heritage, three-dimensional printing etc. Three-dimensional modeling has several decades of history. In recent years,

8、new interactive modeling methods are constantly proposed, which indicates that the issue still faces great difficulties and challenges and is a very active area. One of the most commonly used 3D modeling methods is manually creating models by interactive software such as MAYA, 3D Studio Max, SoftIma

9、ge and CATIA etc. The other is reconstructing three-dimensional models through the data of objects surface obtained by instruments such as three-dimensional scanners, digital cameras, CT etc. For instance, multi-view based modeling first take a group of scene photos by a digital camera and then get

10、a three-dimensional model of the scene from random image sequences. This thesis is mainly about mechanical modeling. Mechanical models generally consist of some simple mechanical model primitives such as gear, cylindrical, rectangular and flat etc. Primitive members are mechanically assembled and fo

11、rm complex mechanical systems. Repeating primitives are often seen in mechanical systems. There are strong motion links among primitives, so geometrical relationships exist among the primitive components such as parallel, perpendicular, and coplanar collinear. Mechanical model is generally complex a

12、nd the occlusion issues of primitives make the problem more difficult. This thesis effectively solves the occlusion issue among primitive components through the method of three-dimensional modeling based on multi-view approach. The bottleneck of mechanical modeling is that designers have to spend a

13、lot of time and efforts to create high-quality 3D models. Although mechanical modeling is also affected by other factors, this article focuses on fast, efficient mechanical modeling. _Abstract III This thesis proposes an image-based interactive mechanism modeling system. The input to our system is t

14、he multi-view images of a mechanism so as to handle the occlusions between its mechanical parts in the 3D modeling. In interactive modeling, users only need to draw several strokes to extract single part from a selected view. An alignment optimization is performed to improve the model quality after

15、all parts are modeled separately. The generated 3D mechanism models contain not only the basic geometry information but also the motion structure of the real mechanism. Experimental results show that the system can be applied to the modeling simple mechanical toys and real mechanism objects. Keyword

16、s: Image Based Modeling; Multi-View; Mechanical Modeling;3D Printing _目 录 IV 目 录 摘 要 . I Abstract . II 图表清单 . VI 1 绪论 . 1 1.1 研究背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 5 1.3 研究内容 . 8 1.4 论文的组织结构 . 9 2 相关技术 . 10 2.1 多视图几何基础 . 10 2.1.1 针孔相 机模 型 . 10 2.1.2 对极几 何 . 11 2.2 相机标定 . 13 2.3 运动到结构 . 15 2.4 本章小结 . 17 3 基元部件 建

17、模 . 18 3.1 系统流程 . 18 3.1.1 用户界 面 . 19 3.1.2 VisualSFM . 20 3.2 深度值计算 . 21 3.3 基元部件参数化 . 24 3.4 基元部件的创建流程 . 25 3.4.1 交互操 作 . 26 3.4.2 贴合操 作 . 29 _目 录 V 3.4.3 注册稀 疏点 云 . 30 3.4.4 遮挡处 理 . 31 3.5 本章小结 . 32 4 几何语义 优化 . 33 4.1 几何语义表达 . 33 4.2 几何语义检测 . 34 4.3 几何语义关系约束优化 . 35 4.4 本章小结 . 37 5 实验平台 与结果 . 38 5

18、.1 软硬件平台 . 38 5.2 实验结果 . 38 6 总结与展 望 . 43 6.1 总结 . 43 6.2 展望 . 44 参考文献 . 45 个人简历 、在学 期 间发表的 学术论 文 . 48 个人简历 . 48 在学期间发表的学术论文 . 48 致 谢 . 49 _目 录 VI 图 表清单 图 1.1 逆向设计汽车 . 3 图 1.2 五台山龙泉寺重建结果 . 3 图 1.3 机械运动 . 4 图 1.4 阿凡达CG 建模图 . 4 图 1.5 玩具制造与三维打印 . 5 图 1.6 三维重建的历史 . 5 图 1.7 照片旅游(A)从网上收集照片(B)三维点云(C)新浏览方法

19、. 6 图 1.8 TRUE2FORM. 7 图 1.9 IWIRES . 8 图 2.1 针孔相机模型 . 10 图 2.2 相机坐标系与世界坐标系 . 11 图 2.3 外极线几何 . 12 图 2.4 STRUCTURE FROM MOTION . 15 图 2.5 SFM 流程 . 16 图 3.1 基元部件 . 18 图 3.2 系统流程(A)多视图(B)交互建模(C)交互建模结果(D)细化结果 . 19 图 3.3 系统 UI 界面 . 20 图 3.4 VISUALSFM. 21 图 3.5 轮廓草图与生成网格 . 26 图 3.6 交互操作 . 26 图 3.7 自由曲面基元部

20、件 . 27 图 3.8 齿轮参数 . 28 图 3.9 点与点贴合 . 29 图 3.10 点与线贴合 . 30 图 3.11 基元部件与稀疏点云注册 . 31 图 5.1 测试模型 . 38 图 5.2 柴油机模型 . 39 图 5.3 机械齿轮连杆装置模型 . 39 图 5.4 机械风车玩具模型 . 40 图 5.5 机械钟表玩具模型 . 40 图 5.6 钟表玩具模着色型渲染效果 . 41 图 5.7 三维打印钟表模型 . 41 图 5.8 GROUND TRUE 与三维打印结果 . 42 表 3.1 模数列表(GB/T 1357-1987) . 28 _1 绪论 1 1 绪论 1.1

21、 研究 背 景和 意义 人 通 过 感 官 感 知 周 围 的 环 境 。 而 人 眼 则 是 感 官 中 最 为 重 要 的 器 官 ， 可 以 通 过 眼 睛 直 接 获 取 周 围 的 三 维 信 息 ， 如 何 运 用 传 感 设 备 获 取 和 数 学 方 法 表 示 三 维 几何信息是计算机图形学的重要研究课题。二十世纪六十年代中期， Roberts 从 二 维 图 像 中 提 取 出 类 如 立 方 体 和 棱 柱 的 多 面 体 的 三 维 形 状 和 空 间 位 置 信 息 ， Roberts 把的研究工作扩展到了三维图像， 这标志着三维计算机视觉技术的诞生。 二十世纪八十年

22、代，Marr 提出了具有划时代 的意义的计算机视觉理论框架，使 得 三 维 重 建 得 以 实 现 ， 从 而 促 进 了 计 算 机 视 觉 的 形 成 和 发 展 。 最 近 几 十 年 ， 多 视 图 几 何 数 学 理 论 的 引 入 和 特 征 点 匹 配 算 法 的 成 熟 ， 使 得 计 算 机 视 觉 得 到 快 速 的发展。 三 维 建 模 是 表 示 用 数 学 的 方 法 ， 诸 如 点 ， 线 ， 三 角 形 和 曲 面 表 描 述 场 景 、 真 实 世 界 的 物 体 和 虚 拟 世 界 的 物 体 的 形 状 。 三 维 建 模 在 三 维 动 画 游 戏 、 电

23、 影 特 技 制 作 、 资 源 勘 探 、 数 字 城 市 、 虚 拟 战 场 、 城 市 建 筑 、 医 学 图 像 、 文 物 保 护 等 领 域 起 着 重 要 的 作 用 。 三 维 动 画 游 戏 需 要 的 三 维 模 型 来 构 建 一 个 虚 拟 世 界 ， 让 用户有身临其境的体验 ， 而我国的游戏行业也在快速的发展， 2014 年中国游戏 产业报告 数据显示， 2014 年中国游戏市场实际销售收入达 1144.8 亿元人民币， 中国游戏市场用户数量约 5.17 亿人。然而，三维建模的瓶颈在于设计师要花费 大量的时间和精力来打造高品质的 3D 模型。 因此如何快速高效的建模

24、的成为日 益 突 出 的 问 题 。 在 电 影 特 技 制 作 中 ，利用 三 维 建 模 技 术 构 建 特 殊 场 景 来 替 代 搭 建 微 缩 模 型 来 实 现 拍 摄 ， 从 而 降 低 成 本 、 提 高 了 效 率 、 制 作 容 易 而且画面更逼 真, 如 泰 坦 尼 克号 、 阿 凡 达 和 指环 王 等 影 片中 的 众 多场 景都 是 采 用 三 维建模技术重建得到的 。 三 维 建 模 一 直 都 是 计 算 机 辅 助 设 计 领 域 内 的 研 究 热 点 ， 三 维 建 模 技 术 可 以 改 变 产 品 的 设 计 方 法 ， 模 拟 工 业 化 生 产 装

25、 配 和 维 修 ， 从 而 较 大 的 提 高 了 产 品 研 发 效 率 ， 缩 短 设 计 周 期 ， 节 约 开 发 成 本 ， 因 此 如 何 快 速 、 高 效 、 精 确 的 构 建 三 维 模 型 是 对 工 业 化 生 产 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 然而机 械 模 型 又 是 工 业 生 产 中 最 常见 和最常用 的，机械模型在教学、科研和军事 中有着重要用途。 _1 绪论 2 机械模型一般由 简单的基元部件( 如：齿轮、圆柱、长方体和平面等) 构成， 部 件 具 有 高 度 的 重 复 性 而 且 比 较 复 杂 ， 部 件 之 间 往 往 会 存 在 遮 挡 问 题 ， 因 此 本 文 采 用 基 于 多 视 图 的 方 法 有 效 的 解 决 了 遮 挡 问 题 。 机 械 模 型 部 件 之 间 具 有 较 强 的 运 动 链 接 关 系 ， 因 而 各 个 基 元 部 件 之 间 又 存 在 着 类 如 平 行 、 垂 直 、 共 线 和 共 面 等 的 几 何 关 系 ， 可 以 利 用 基 元 部 件 之 间 的 几 何 关 系 对 基 元 部 件 进 行 优 化 ， 从 而得到规整的机械模型 。 基 于 此 ， 本 文 对 机 械 模 型 建 模 进 行 研 究 和 探 索 ， 旨 在