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三维重建技术研究及其在飞行器外形设计中的应用

作　者: 王翔
导　师: 丁运亮
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 计算机视觉三维重建工程视图 CSG算法斜对称检测飞行器
分类号: V221.92
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目标实体的三维重建技术已成为计算机视觉领域的一个十分重要的分支。本文正是从飞行器的三维重建这一课题出发,深入研究和探讨了基于工程视图的目标实体三维重建技术。本文的研究对象以输入为标准格式的工程二维视图。工程视图中含有大量的投影信息,其中既包含了投影实体的几何尺寸信息如:轮廓形状、尺寸大小等,又包含了投影实体的几何拓扑信息如:点、边、面的邻接关系等。但是由于在从空间向平面投影的过程中遗失了大量的几何拓扑信息,从而导致了仅由二维投影视图信息恢复目标实体的三维模型难度大增。如何利用已有的二维投影视图信息加上辅助的工具如:投影法则等手段重建实体的三维模型是本文研究的着眼点。由于工程视图中含有大量干扰图素,为了去除这些噪声干扰以及便于计算机更好地理解二维投影视图,首先需要对输入的二维工程视图进行预处理。实体的重建工作是分两个部分进行的,即平面体(包含规则曲面体)和曲面体。平面体的重建采用的是基于添加辅助线的构造实体几何(Constrctive Solid Geometry)重建算法。通过对二维视图进行添加辅助线处理以达到加速基本体素识别和提取的目的,同时又可以避免错解的产生。算法还着重探讨了视图中含剖视图的重建方法,算法可以对含全剖、半剖以及平行剖视图在内的实体进行重建。本文将斜对称检测引入到了二次曲面体的重建中来。利用了对称这一特殊约束解决了二次曲面体的三维重建问题。首先通过在平面投影中的面内斜对称轴检测得到面内斜对称轴,继而生成斜对称面。利用“五点法”构造投影曲线,得到投影二次曲线的参数表达式,通过三视图相应的投影曲线构造空间二次曲线的坐标式参数方程。然后在检测到的斜对称面内将二次曲线旋转即可得到二次曲面体,最后将目标实体向投影面投影,通过投影匹配来检测解的正确性。由于斜对称投影对于物体的空间位置没有要求,故算法能够处理任意放置的二次曲面体,扩大了实体的覆盖域。本文构造了一种三次参数H-样条曲线,该曲线具有良好的保凸性和可控性,可将其应用于飞行器自由曲线、曲面设计中,经算例验证取得了较好的设计效果。本文的重建对象是飞行器,针对飞行器的各个部件以及总体外形均进行了算例验证。所有算法和程序采用C/C++语言编制。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究意义  13
  1.2 三维重建研究发展概述  13-19
    1.2.1 自底向上算法  15-16
    1.2.2 自顶向下算法  16-19
  1.3 三维重建的复杂性及其发展趋势  19-20
  1.4 相关领域理论  20-22
    1.4.1 实体造型  20
    1.4.2 计算机图形学  20-21
    1.4.3 计算机视觉  21-22
    1.4.4 摄影几何学  22
  1.5 本文章节安排  22-23
第二章三维重建预处理  23-47
  2.1 预处理的意义  23
  2.2 坐标系转换  23-26
    2.2.1 绘图坐标系转换到视图坐标系  24-25
    2.2.2 由视图坐标系到空间坐标系的转换  25-26
    2.2.3 求解转换矩阵  26
  2.3 图文分离  26-34
    2.3.1 图文分离的意义  26-27
    2.3.2 图文分离算法  27-34
  2.4 视图分割  34-37
    2.4.1 视图分割的意义  34
    2.4.2 视图分割算法  34-37
  2.5 剖视图处理  37-45
    2.5.1 剖视图处理的意义  37
    2.5.2 剖视图的分类  37-40
    2.5.3 剖视图的识别  40-41
    2.5.4 剖视图的处理  41-44
    2.5.5 含剖视图的重建算例  44-45
  2.6 本章小结  45-47
第三章平面体的三维重建  47-64
  3.1 工程视图以及实体几何表示法的相关理论  47-56
    3.1.1 工程视图基本理论  47-50
    3.1.2 实体的几何表示方法  50-56
  3.2 基于CSG 的添加辅助线重建算法  56-63
    3.2.1 建立特征体素库  56-58
    3.2.2 投影视图的处理  58-61
    3.2.3 确定布尔运算类型  61-62
    3.2.4 算例及讨论  62-63
  3.3 本章小结  63-64
第四章基于斜对称面检测的二次曲面体重建  64-84
  4.1 斜对称检测  64-76
    4.1.1 斜对称的基本理论  64-65
    4.1.2 面内斜对称轴检测  65-71
    4.1.3 几何实体内部的斜对称面检测  71-76
  4.2 二次曲面基本理论  76-77
  4.3 基于斜对称检测的二次曲面体重建  77-82
    4.3.1 术语及定义  77-78
    4.3.2 求解二次曲线的几何参数表达  78-82
    4.3.3 求解二次曲面体的斜对称多边形  82
  4.4 本章小结  82-84
第五章飞机外形设计中的曲线、曲面重建技术  84-105
  5.1 飞机外形设计中的曲线设计方法  84-91
    5.1.1 样条曲线基本理论  84-86
    5.1.2 用于飞机外形设计的一类三次H-样条曲线  86-87
    5.1.3 三次H-样条曲线的构造  87-89
    5.1.4 特殊情况的讨论  89
    5.1.5 应用于飞机外形设计中的三次H-样条曲线  89-91
  5.2 飞机外形中的曲面重建技术  91-104
    5.2.1 飞机外形设计中的曲面分析  91-92
    5.2.2 飞机外形设计中常用的曲面表示方法  92-93
    5.2.3 数字化飞机外形建模  93-100
    5.2.4 基于曲面特征的飞机外形曲面及主要部件的重建方法  100-101
    5.2.5 基于特征约束的曲面改形  101-104
  5.3 本章小结  104-105
第六章飞行器三维重建系统的构造及算例  105-115
  6.1 飞行器外形重建的目的和要求  105-106
    6.1.1 飞行器外形重建的目的  105
    6.1.2 飞行器外形重建的要求  105-106
  6.2 主要研究思路  106
  6.3 研究难点  106-107
  6.4 飞行器三维重建框架  107-110
  6.5 飞行器重建算例  110-114
    6.5.1 重建算例飞机参数  110
    6.5.2 三维重建模型  110-114
  6.6 本章小结  114-115
第七章总结与展望  115-118
  7.1 本文的主要工作及创新  115-116
  7.2 后续工作展望  116-118
参考文献  118-125
致谢  125-126
在学期间发表的学术论文  126

三维重建技术研究及其在飞行器外形设计中的应用

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