一种基于视觉测量的雕塑截面层加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于视觉测量的雕塑截面层加工方法，包括以下步骤：在雕塑样稿表面设置标志点；全局标志点测量；点云数据采集和处理；原始模型放大；剖面线截取，输出二维加工图层数据；机械加工雕塑截面层：将图层数据导入数控机床，加工出所有的截面层。本发明可缩短大尺寸雕塑制造周期和成本。
【专利说明】—种基于视觉测量的雕塑截面层加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械加工逆向工程和雕塑制造技术，尤其涉及一种基于视觉测量的雕塑截面层加工方法。
【背景技术】
[0002]逆向工程是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术。所谓逆向工程就是将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上，对已有产品进行解剖、深化和再创造。流程主要由三部分组成:物体表面数据获取、CAD模型重建、产品制造成型。随着逆向工程技术研究不断深入，它在生产实际中的应用也越来越广泛，而在文物数字重建和雕像制作等应用领域尤为明显。
[0003]目前大部分雕塑的制作和加工依然沿用传统的手工创作流程，从设计创意、制作手段一直到最终效果都在很大程度上受到传统工艺的制约，需要反复制作雕塑样稿，存在制作效率低、加工难度大的问题，特别是大型户外雕塑工程的设计、施工更是如此。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，为本发明提供了一种基于视觉测量的雕塑截面层加工方法，大大缩短制造周期和成本。
[0005]为达到以上目的，本发明是采取如下操作步骤予以实现的:
[0006]一种基于视觉测量的雕塑截面层加工方法，包括以下步骤:
[0007]第一步，在雕塑样稿表面设置标志点；
[0008]第二步，全局标志点测量:利用三维标志点摄影测量系统的数码相机从各个角度、不同高度拍摄一组样稿图像，将所获图像导入三维标志点摄影测量系统，计算得到标志点的三维空间坐标；
[0009]第三步，点云数据采集:利用三维光学点云测量系统对雕塑样稿进行扫描获得密集点云；
[0010]第四步，点云数据处理:对所获点云数据进行降噪、融合和封装，并做三角化处理，得到理想的多边形模型；
[0011]第五步，原始模型放大:将第四步所得的多边形模型进行等比例放大；
[0012]第六步，剖面线截取:利用点云处理软件的截线功能创建雕塑模型的平行轮廓线，输出二维加工图层数据；
[0013]第七步，利用所述图层数据机械加工雕塑截面层。
[0014]与现有的雕塑加工方法相比，本发明方法具有以下优点:操作方便，且具有高精度、短周期、低成本的特点，尤其适用于大型雕塑的制造过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]参照下面的说明，结合附图，可以对本发明有最佳的理解。在附图中，相同的部分可由相同的标号表不。
[0016]图1是本发明的方法步骤流程图；
[0017]图2是视觉测量现场布置示意图；
[0018]图3是全局点测量结果示意图；
[0019]图4是点云导入结果示意图；
[0020]图5是三角化数据处理示意图；
[0021]图6是比例放大后剖面截线图示意图
[0022]图7是CAD软件输出的剖切面二维图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及示例性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。
[0024]本发明提出的基于视觉测量的雕塑截面层加工方法，具体步骤如图1所示。其中，所采用的硬件装置主要由两部分组成:三维标志点摄影测量系统和三维光学点云测量系统。在本实施例中，三维标志点摄影测量系统包括I个高精度数码相机、若干个标志点、数个定比例尺、I台计算机；三维光学点云测量系统包括2个CXD相机、2个LED灯、I个投影仪、若干个标定板、I台计算机。
[0025]所述方法包括以下步骤:
[0026]第一步，在雕塑样稿表面设置标志点。根据测量需求，在作为逆向对象的雕塑样稿(例如泥雕人物塑像)表面粘贴一系列编码和非编码标志点，如图2所示。如果雕塑尺寸较大，还应在泥塑周围也均匀布置编码点，以用于进行局部测量图片的全局匹配。优选地，考虑到物体表面材质、色彩及反光透光等都会对后期光学面扫描产生影响，还可以在测量前对雕塑做前期处理，包括对雕塑进行表面喷涂处理。注意均匀喷涂，避免喷涂不均所带来的厚度偏差。
[0027]第二步，全局标志点测量:利用三维标志点摄影测量系统所配的数码相机从各个角度、不同高度拍摄一组样稿图像，将所获图像导入三维标志点摄影测量系统中，计算得到标志点的三维空间坐标，并利用系统中的坐标变换模块将所获点集的三维坐标统一调整到所需坐标系下。以人物雕塑为例，可以雕塑周围的地面边缘作为Xy平面，以鼻尖到底面的垂线作为Z轴，Z轴和xy平面的交点作为整个雕塑的坐标原点。将测量结果(如图3所示)导出并保存，以作为后续使用三维光学点云测量系统时的全局拼接基准。
[0028]第三步，点云数据采集:利用三维光学点云测量系统对雕塑进行扫描以获得密集点云。
[0029]首先，进行三维光学点云测量系统的相机标定。从不同方位拍摄标靶获取标靶图像，利用图像进行相机标定计算，通过标定得到两相机准确的位置关系，包括相机的外部参数、相机的内部参数以及镜头畸变参数。标定前，必须确认相机的镜头已经调好并紧固。标定时通常要打开投影光栅，投射白光到标定板上。特殊情况下，也可以关掉投影灯，利用自然光来照明。采用投影灯时，投影光线要覆盖所有的白点。打开摄像功能，观察左右摄像头视图区的图象，如果太暗，要增加亮度或调节软件光圈和增益，先使最亮点的图象变成红色，然后再略微减少图象亮度，使红色刚好消失。按照系统八步标定法完成标定，计算机在数秒内会在屏幕上显示出标定偏差。偏差越小，表示标定结果越准确。标定偏差小于0.05就可以接受。如果标定偏差太大，系统提示标定失败(偏差过大)，必须重新进行标定。
[0030]其次，导入三维标志点摄影测量系统所获的全局点，作为多幅局部扫描数据的拼接基准，然后利用三维光学点云测量系统一次扫描300mmX400mm幅面的密集点云，自动转换到全局点所确定的坐标系下；多次扫描完成雕塑外形轮廓的密集点云采集；对各部分点云进行拼接对齐。针对局部缺失的细节，可利用扫描设备进行补充扫描。
[0031 ] 最后，将对齐后的点云数据导出并保存。
[0032]第四步，点云数据处理，扫描所获的最终点云格式导入点云处理软件(例如Imageware)，如图4所示，由于在测量过程中会不可避免地引入噪声，同时采集数据时会出现扫描区域重合的现象，因而要对所获点云数据进行降噪、融合处理。将最终处理完毕的点云进行封装后，即切换到了的三角化阶段。在此阶段主要进行缺失数据补充、移除相交三角面片、网格平滑和修改边界特征等，最终得到理想的多边形模型如图5所示。
[0033]第五步，原始模型放大，数据处理完毕，按照工程实际要求，将第四步处理完毕的多边形模型进行等比例放大成型。在本实施例中，可采用Imageware软件的缩放功能将原始模型放大到最大高度4m。
[0034]第六步，剖面线截取，利用点云处理软件的截线功能创建雕塑模型的平行轮廓线。截线数目越多，雕塑的细节位置形态就越明显，但会增加后期制作和数控加工的工作量，因此要根据具体情况确定最佳的截面线数目，截线情况如图6所示。对于人物雕塑，考虑到雕塑的头部及手部细节多而复杂的特点，在头部和手部截面线剖切的密度大些。以底面作为剖切0面，沿Z轴正方向以一定间隔(头部和手部截线间隔要变小)依次剖切完毕后，输出剖切截面曲线并保存为igs格式。将上述文件导入到CAD软件中，输出二维加工图层数据，如图7所示。
[0035]第七步，利用所述图层数据机械加工雕塑截面层:将图层数据导入数控机床，加工出所有的截面层。
[0036]在后续工艺中，需要结合手工创作方法进行雕塑制作，包括逐层搭建钢架、安装截面层，以避免雕塑产生形变。最后，经过上大泥、塑形、细节修改等就完成雕塑制作。这部分内容不属于本发明范畴，不再赘述。
[0037]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于视觉测量的雕塑截面层加工方法，包括以下步骤: 第一步，在雕塑样稿表面设置标志点； 第二步，全局标志点测量:利用三维标志点摄影测量系统的数码相机从各个角度、不同高度拍摄一组样稿图像，将所获图像导入三维标志点摄影测量系统，计算得到标志点的三维空间坐标； 第三步，点云数据采集:利用三维光学点云测量系统对雕塑样稿进行扫描获得密集点云; 第四步，点云数据处理:对所获点云数据进行降噪、融合和封装，并做三角化处理，得到理想的多边形模型； 第五步，原始模型放大:将第四步所得的多边形模型进行等比例放大； 第六步，剖面线截取:利用点云处理软件的截线功能创建雕塑模型的平行轮廓线，输出二维加工图层数据； 第七步，利用所述图层数据机械加工雕塑截面层。
2.根据权利要求1所述的方法，第二步还包括:利用三维标志点摄影测量系统中的坐标变换模块将所获点集的三维空间坐标统一调整到所需坐标系。
3.根据权利要求1所述的方法，第三步包括: 首先，进行三维光学点云测量系统的相机标定，得到相机的内外参数； 其次，导入三维标志点摄影测量系统所获的全局点，利用三维光学点云测量系统一次扫描300mmX 400mm幅面的密集点云，自动转换到全局点所确定的坐标系下,通过多次扫描完成雕塑外形轮廓的密集点云采集，对各部分点云进行拼接对齐； 最后，将对齐后的点云数据导出并保存。
4.根据权利要求1所述的方法，第七步包括:将图层数据导入数控机床，加工出所有的截面层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述点云处理软件优选为Imageware。
【文档编号】G06T17/00GK103761764SQ201310699937
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】梁晋, 胡浩, 姜灏, 郭翔, 李磊刚, 于淼 申请人:西安交通大学