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三維模型范文1
關鍵詞：三維激光掃描；點云數據；點云拼接；點云處理；三維建模
0引言
古建筑的保護和一些大型文化遺產的測量與修復一直是國內較為重大高端的關注熱點，然而傳統的衛星影像、航空攝影等測量方法所獲取到的大型建筑的空間數據準確性并不高，其數據難以構建出精準的三維模型。三維激光掃描儀因其具有高精度、高密度、高效率、實施性強、信息量豐富等優點被廣泛運用在變形監測、工程測量、地形測量、古建筑和文物保護、斷面和體積測量等領域。三維激光掃描技術原理是利用激光測距儀理論對目標對象進行激光測量從而獲得目標數據，此技術可以更真實地掃描目標對象的整體結構以及形態特性，快速準確地生成三維數據模型。研究至此可知，因三維激光掃描技術具有上述眾多優點，使得其更加適合對細節特征豐富的大型建筑或者文化遺產展開提供三維數字化處理，由此達到的測量精度相對于傳統方法也隨即獲得了較大的提升。
基于此，本文即研發給出了通過三維激光掃描技術，將獲取到的目標對象的點云數據進行配準拼接、去噪簡化等研究處理后，進而又利用點云數據來設計探討、并最終實現對目標對象的三維模型構建的全過程。
1地面三維激光掃描技術原理
三維模型范文2
關鍵詞：三維激光掃描儀 數字城市三維模型應用
Abstract: In this paper, through the use of three-dimensional laser scanner to obtain building geometry data, to build a the digital city three-dimensional model method research, preliminary tests showed that the method can be applied to the field of three-dimensional modeling of the Digital City, is a three-dimensional model to build a digital citymore advanced means of a technique.Keywords: three-dimensional laser scanner; digital city three-dimensional model; application;
中圖分類號：O343.2 文獻標識碼：A 文章編號：
0 引言
“數字城市”是以信息技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類三維描述的系統。數字城市以地理空間框架為基準，集成城市自然、社會、經濟、人文、環境等綜合信息，基于網絡基礎設施實現城市信息的廣泛共享。數字城市代表了城市信息化的發展方向，是推動整個國家信息化的重要手段。國家測繪局于2006年啟動了“數字城市建設示范工程”項目，在全國選擇若干具備條件的城市作為試點，開展數字城市地理空間框架建設，并在最近幾年內在市、縣兩級逐漸推廣。在數字城市地理空間框架中構建三維模型，有助于提高城市的綜合管理水平，提升城市的形象，在城建、規劃、旅游、國土、消防等眾多領域發揮了積極作用。如何快速準確的獲取構建三維模型所需要的空間幾何數據，一直是困擾人們的一個問題，也是國內外研究的重點和熱點之一。三維激光掃描儀的出現和在工程領域的廣泛應用,在這個方面實現了較大的突破和改進。三維激光掃描儀能夠快速準確的獲得建筑物的高程和立面數據，對于構建精準的三維模型發揮了重要的作用。
1 三維激光掃描儀測量原理
三維激光掃描儀的工作過程是一個不斷重復的數據采集和處理過程，它采用儀器坐標系下的三維空間點組成的點云圖來表達對目標物體采樣的結果。三維激光掃描系統通過內置伺服驅動馬達系統精密控制多面反射棱鏡的轉動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。通過測量掃描儀到目標點的距離值和激光束的水平方向值和豎直方向值計算激光腳點的三維坐標。同時，彩色CCD相機拍攝被測物體的彩色照片，記錄物體的顏色信息，采用貼圖技術將所攝取的物體的顏色信息匹配到各個被測點上，得到物體的彩色三維信息。
2 利用三維激光掃描儀構建三維模型的工作流程
利用三維激光掃描儀獲取建筑物的空間幾何數據，進行數字城市三維模型建設的工作流程主要包括：外業掃描、數據拼接、特征線提取、3D建模、格式轉換幾個部分。
2.1 外業掃描
首先根據掃描目標的位置、大小和復雜程度設計出各掃描站和控制標靶的位置，通常一個目標點需要多個測站才能完成。可以根據當地的GPS控制點的點位，通過全站儀進行測量定向，從而確定三維掃描儀掃描數據的坐標參考。一般采用連接點測量的方法進行掃描，連接點測量法具有高效和精確的特點，站與站的連接精度可達1毫米，適用于測量范圍在300 米之內的區域。
外業測量過程中，待測對象和標靶是分開進行掃描和測量的。首選在一個測站位置上選定測量區域，指定測量距離與間距，進行自動掃描。然后選擇測量標靶命令，照準標靶位置，記錄點位。要保證三個標靶點位在下一測站中可見，從而保證可將掃描數據依次拼接。在掃描過程中，啟用三維掃描儀的自動拍照功能，在形成點云數據的同時，采集到掃描目標的紋理照片。
2.2 數據拼接
將外業的掃描數據導入到電腦的Cyclone軟件中，軟件可自動識別點云、圖像和標靶點，并分站放置在對應的目錄樹下。采用連接點拼接，只需依次選中對應的兩站中的三個標靶點，軟件系統可自動進行拼接。選擇全部點云數據，合并到一個工作場景中。在此基礎上進行刪除噪聲點、非測量區域點，并把導入的圖像的顏色分別賦予對應的點云等處理。
2.3 特征線提取
為了方便特征線的提取，通常需要將建筑物的坐標改成正南正北狀態。首先框選樓房正立面墻體上一塊點云，將框內的點云擬合成mesh網格平面，在生成的mesh面片上任意選擇一點，點取更改坐標命令，就可將建筑物糾正為正南正北方向。將點云數據統一化后導入到AutoCAD軟件中，利用Cyclone軟件的cloudworx插件打開點云數據，根據點云的形狀，描繪出特征線。在提取特征線的過程中，為了避免背面的點云對描線產生影響，可以使用點云切片的功能。在描線的過程中還可以使用刷新點云的功能使點云的輪廓更加清晰。
圖1 坐標糾正之前狀態 圖2坐標糾正之后狀態
圖3根據點云提取模型的特征線
2.4 3D建模
將特征線文件導入3DMAX軟件中，作為底圖或立面高程數據的參考，進行三維建模和紋理貼圖工作。利用3DMAX軟件的拉伸、擠出、旋轉、變形等命令進行模型，將數碼相機實地采集的紋理照片或三維掃描儀拍攝的照片修飾成貼圖紋理，并將紋理指定給選定對象上，完成三維建模工作。構建模型時應遵循真實性、美觀性、代表性三個原則。
圖4 特征線導入到3DMAX中建模圖5 建成的三維模型
2.5 格式轉換
現在的數字城市地理空間框架建設多是以NEWMAP軟件作為平臺的。該軟件對導入的三維模型的格式是有要求的。一般要求數據格式為*.x格式(DirectX的壓縮格式) ，模型能用微軟的Directx viewer工具打開，且不缺失紋理，模型的面應盡量少。模型中用到的紋理圖片應為dds(DXT3)格式，紋理尺寸采用MIP MAP 模式 (即2的n次冪 ×2的m次冪)。所以要將3D模型通過轉換工具轉換成上述要求的標準格式，才能導入到數字城市地理空間框架平臺中。
3 結束語
本文通過對利用三維激光掃描儀掃描構建三維模型方法的研究，分析了三維激光掃描儀的工作原理，探索了構建三維模型的基本的工作流程，初步試驗表明了該方法可以應用于城市建筑物的三維建模，是構建數字城市三維模型的較為先進的技術手段。另外，龐大的點云數據，如何管理和處理海量數據，并保證數據在處理過程中精度不受損失是需要進一步解決的問題。獲取的三維點云數據如何能夠自動擬合形成實體模型或自動提取出特征線，是三維掃描儀在軟件處理方面亟待解決的內容，也是下一步研究的重點和難點問題。
參考參考文獻
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[4]王彬華．AutoCAD2002中文版實例教程[M]．電子科技大學出版社，2002年文獻
三維模型范文3
關鍵詞：數字德令哈；三維模型；數據質量檢查
引言
隨著科技的不斷進步，城市的信息化成為了必然的趨勢，數字城市的不斷完善已經成為城市發展的新契機，成為城市信息化建設的目標。數字三維城市已成為城市規劃和管理中重要的手段。三維模型能夠真實、生動地表達三維空間信息，成為數字城市的研究重點。
德令哈市是青海省海西蒙古族藏族自治州州府所在地，是全州政治、教育、科技、文化中心，也是海西東部經濟區中心。作為青海省重要的工業城市，德令哈市在青海省經濟發展中具有重要地位。隨著德令哈市經濟的迅猛發展，對城市規劃和城市管理提出了更高的要求，政府部門對信息化建設有著迫切的需求，“數字德令哈”的建設為各部門信息化系統提供了一個統一的定位基礎和信息共享平臺，加快了城市信息化進程。
目前，有關數字三維模型的相關文件有《中華人民共和國測繪行業標準：三維地理信息模型生產規范CH/T 9016-2012》《中華人民共和國測繪行業標準： 三維地理信息模型數據產品規范CH＼T9015-2012》《中華人民共和國測繪行業標準：三維地理信息模型數據庫規范CH＼T9017-2012》，這些標準對三維模型的制作進行了定義和要求，但對三維模型質量評定沒有明確的要求， 也沒有形成一套有效的質量檢查方法與質量評價體系。
文章針對“數字德令哈”項目中已經產生的大量三維模型成果，參照《中華人民共和國測繪行業標準：三維地理信息模型生產規范 CH/T 9016-2012》《中華人民共和國測繪行業標準： 三維地理信息模型數據產品規范CH＼T9015-2012》標準的相關內容并結合工作中進行三維模型質量控制的實踐， 探討了如何對三維模型進行質量檢查。
1 模型的生產流程
“數字德令哈”中三維模型數據的制作流程主要如圖1所示。
1.1 矢量數據采集
立體采集使用MapMatrix全數字攝影測量工作站完成，模型定向采用空三自動恢復模型進行立體測圖，采集道路、水系、屋頂、基礎設施等數據。
1.2 紋理照片采集及處理
用符合要求的相機實地采集房屋、道路、植被、基礎設施等要素的照片以及興趣點。將采集的實地照片在Photoshop軟件下處理成紋理數據。
1.3 建筑模型制作情況
利用立體量測的方式，將建筑物屋頂結構全部表示出來，再將該結構結合地面dem，提取成立體模型。后期貼圖時參照外業實拍的照片形狀進行核實、修改，將處理好的紋理數據賦在建筑面上，保證模型與實際相符。
1.4 道路模型制作情況
人行道、行車路面按照大比例尺地形圖精確制作；地形圖上未表示的較窄的道路按航片或照片制作；全區域范圍內同材質路面使用了同一紋理表示；跨河橋梁等全部按照實際建模。
1.5 植被模型制作情況
城市中植被種類繁多，數量巨大，因此植被利用十字交叉面片雙面貼圖的方式進行建模。
1.6 基礎設施模型制作情況
交通信號燈、路牌、路標、交通指示標志牌等按實際形狀建模，按實際位置表示，方向指示正確；道路中間、兩側的柵欄及柵欄兩頭的圓柱形墩子按實際表示，使用透明紋理表現。包圍綠地或隔離帶的圍欄按實際建模，并使用透明紋理表現；道路附屬設施上作為設施主體的廣告牌按實際照片制作紋理貼圖。
2 質量控制內容
三維模型數據是“數字德令哈”地理空間框架中的重要內容。
2.1 質量檢查內容
2.1.1數據命名、格式的檢查：包括模型的命名，紋理的命名，紋理尺寸和格式的正確性。
2.1.2 空間數據的檢查：包括平面位置精度、高程精度和坐標精度。平面位置精度主要檢查與地形圖中基底輪廓線的套合情況；高程精度主要檢查模型與實際高度是否一致；坐標精度檢查是否符合項目設計書中的坐標系統要求。
2.1.3 場景中模型的檢查：（1）檢查模型結構是否完整、正確；模型有無缺漏、穿插；有無多余面或丟失面。（2）檢查紋理是否與實地相符；紋理是否清晰，有無扭曲、變形、炫光等；紋理間銜接是否合理。（3）平臺場景中檢查地形模型、建筑模型、道路模型、植被模型、基礎設施模型以及各類型模型之間相互位置關系。（4）附件的質量控制主要指文檔的完整性。
2.2 檢查平臺
德令哈市的三維模型是使用3ds max軟件進行原始模型的制作、光照烘培效果和格式轉換的，利用Photoshop軟件進行紋理處理，利用City Maker Building平臺進行大場景整合。所以質檢人員也是在上述軟件下進行檢查。
3 檢查方法
3.1 原始模型數據檢查
3.1.1 平面檢查
對于制作好的模型，首先檢查模型的平面坐標，將德令哈1：500的CAD圖導入3ds max軟件作為依據，在頂視圖中檢查建筑的基地邊線是否與CAD數據套合，對于復雜結構的建筑應多角度進行檢查。
3.1.2 模型檢查
坐標檢查完后要檢查模型文件中存在空物體，打開摘要信息命令（Summary info）檢查文件中物體數量、面片數量等信息，查找到統計數據中點與線都為0的模型即為空物體，記錄后需在max場景中刪除。接下來打開模型列表，檢查模型的命名是否與設計方案一致，如有問題需要記錄，若沒有就可進行下一步檢查。“數字德令哈”項目設計要求模型需100%檢查，所以檢查時是按照模型的名稱進行順序檢查，主要檢查模型結構與實地是否一致，是否符合設計方案的精度要求，貼圖是否完整；整個max場景中模型是否有重疊、穿插、漏縫等情況；最后需檢查模型軸心位置。如檢查有上述問題需記錄后返還給作業人員進行修改。
3.1.3 紋理檢查
模型的紋理首先需在photoshop軟件中打開后檢查紋理的命名與格式是否符合軟件要求，尺寸是否是2的N次冪，并小于2048像素；其次需要檢查場景中紋理圖像的清晰度與真實度，交界面紋理應合理銜接，保證所有的模型紋理必須賦予UV，利用反轉法線制作的兩個透明面要避免閃爍，制作的透明貼圖不能出現明顯的白邊。如檢查有上述問題需記錄后返還給作業人員進行修改。
3.2 平臺數據檢查
原始模型檢查修改完成后，將模型轉換成City Maker平臺所需的.Osg格式數據，在平臺中整合好的數據還需檢查建筑模型、地面模型、道路模型、植物模型、基礎設施模型之間的相互關系，檢查各類模型底面與地面的銜接是否在設計書要求精度范圍內，檢查各類模型互相之間銜接是否合理。
4 結束語
隨著數字城市的不斷發展建設，我省的數字項目會越來越多，對三維模型的需求也會越來越大，但目前對三維模型的質量檢查還沒確切的標準，影響三維模型質量的因素很多，不同的項目需求對三維模型的質量起著決定的作用。文章通過“數字德令哈”項目對三維模型的質量檢查設定了一套方法與流程，希望可以對其他數字城市項目中三維模型的質量檢查提供一些參考。
參考文獻
三維模型范文4
關鍵詞：地下水 三維滲流模型 深基坑
前言
長江流域，特別在中下游的三角洲區域，下伏著較厚的松散沉積層，一般上部為粘性土，下部為砂性土，砂性土上細下粗，呈典型的二元結構特征，其中發育較厚的孔隙承壓水層，承壓水水頭壓力較高，含水層埋深較淺，各層含水層之間存在水力聯系，形成一個較為復雜的地下水系統。在這類區域的深大基坑開挖過程中，會面臨承壓水突涌問題，減壓降水保證基坑開挖安全是一項極為重要的工作。
本文以南京某基坑工程為例，論述基坑降水三維滲流模型建立的理論，建立本工程的三維滲流模型，模擬預測本工程開挖降水期間的滲流場變化特征。
1、工程概況
本工程緊鄰地鐵線，地鐵區間隧道與本基坑地下室最近距離不足10m，基坑開挖面積約36400 ，最深開挖約26.4m。
基坑下伏地層主要為：①1雜填土、②粘土、③淤泥質粉質粘土、④1粉細砂、④2中細砂、④2a粉質粘土（呈透鏡體分布）、④3含礫中細砂及⑤層強風化~微風化砂質泥巖層。
潛水主要賦存于①填土中，初始水位埋深約1.0m，弱承壓含水層由④1粉細砂、④2中細砂及④3含礫中細砂復合而成。復合弱承壓含水層厚度近50m，富水性好，透水性強，水量豐富，補給源為長江，承壓水頂埋深約15~19m，承壓水初始水頭約3.0m。
2、三維滲流數學模型
地下水流和土體是由固體、液體、氣體三相體組成的空間三維系統，土體可以模型化為多孔介質。因此求解地下水問題就可以簡化為求解地下水在多孔介質中流動的問題，可以用下述地下水滲流連續性方程及其定解條件來描述地下水的三維非穩定滲流規律。
根據與本場地相適應的水文地質條件，可建立下列與之相適應的地下水三維非穩定滲流數學模型：
（1）
式中：
S為儲水系數；Sy 為給水度；M為承壓含水層單元體厚度(m)；B為潛水含水層單元體地下水飽和厚度(m)。Kxx,kyy,kzz分別為各向異性主方向滲透系數(m/d)；h為點(x,y,z)在t時刻的水頭值(m)； W為源匯項(l/d)；h0為計算域初始水頭值(m)；h1為第一類邊界的水頭值(m)；Ss為儲水率 (l/m)；t為時間(d)；Ω為計算域；Г1為第一類邊界。
對整個滲流區進行離散后，采用有限差分法將上述數學模型進行離散，就可得到數值模型，以此為基礎編制計算程序，計算、預測降水引起的地下水位的時空分布。
3、概念模型的建立
地下水滲流系統符合質量守恒定律和能量守恒定律；含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運動符合達西定律；考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點，地下水運動可概化成空間三維流；地下水系統的垂向運動主要是層間的越流，三維立體結構模型可以很好地解決越流問題；地下水系統的輸入、輸出隨時間、空間變化，參數隨空間變化，體現了系統的非均質性，但沒有明顯的方向性，所以參數概化成水平向各向同性。
根據本工程的工程地質條件及水文地質條件，考慮到降水過程中，上覆潛水含水層將與下伏承壓含水層組之間將發生一定的水力聯系，因此，將上覆潛水含水層、弱透水層以及下伏弱承壓含水層組一起納入模型參與計算，并將其概化為三維空間上的非均質各向異性水文地質概念模型。
為了克服由于邊界的不確定性給計算結果帶來隨意性，定水頭邊界應遠離源、匯項。通過試算，本次計算以整個基坑的東、西、南、北最遠邊界點為起點，各向外擴展約1000m，四周均按定水頭邊界處理。地下水在降水過程中，坑內地下水位大幅度下降，地下水流態為三維非穩定流，基坑內地下水的降壓井是唯一的源、匯項。
圖1 模型剖分圖
三維模型在深度方向分為7個物理層，共剖分為83853個網格。模擬現場工況，開啟J1、J2、J3、J4、J5、J6及G1等7口井抽水持續10天，抽水停止后，經歷了7天的水位恢復期。在持續抽水及水位恢復的過程中，對G1、G2、G3、G4、G5及G6等觀測井分別進行的水位變化的跟蹤監測。在模型中，將整個計算過程分為5個應力期，每個應力期細分為10個步長，對觀測井的數據進行擬合，并反演出含水層水文地質參數，擬合的水位誤差在8%以內。反演出的水文地質參數見表1。
圖2 抽水井及觀測井平面布置示意圖
表1 模型參數
圖 3 觀測井水位與時間關系的實測與擬合曲線對比圖
通過三維模型的擬合，各觀測井點的數值模擬水頭變化和實測水頭變化規律一致，實測值與擬合值兩者的偏差很小，滿足工程精度要求。
模型計算出的抽水10天后的水位埋深圖見圖：
圖4 抽水10天后場地水位埋深等值線圖（單位：m）
水位變化與實際抽水試驗水位變化相符，說明反演參數能夠代表本場區的水文地質特征。
4、確定降水方案
經過對該工程的水位變化的擬合、反演等過程，最終確定了符合本工程的三維滲流模型，結合本工程的開挖深度及圍護結構等條件，在本工程基坑內布置63口降水井，根據坑內裙房及塔樓不同的開挖深度及減壓幅度的需要，設置井深32.5~42.5m，單井出水量平均取值約10m3/h ,降壓井運行10天后，可以降水承壓水水位降低到約-27m左右，該模型預測的承壓含水層水位等值線如下圖所示。
圖5 抽水后場地承壓含水層水位埋深等值線圖（單位：m）
5、結論
運用有限差分法建立符合工程實況的三維滲流模型，能有效的模擬并反演滲流場的特征，為深大基坑開挖降水設計提供了依據及保障。
參考文獻：
[1]駱祖江、李朗、姚天強 、羅建軍. 松散承壓含水層地區深基坑降水三維滲流與地面沉降耦合模型[J].巖土工程學報，2006（11）.
三維模型范文5
【關鍵詞】骨骼；逆向工程；三維重建；醫學影像
【Abstract】With the necessity and importance of reconstructing medical image model on the medical application and research， a variety of methods reconstructing human body Skeleton were introduced according to different original data and application purposes. The different reconstruction processes of human pelvic tissues， molar and incisor models are detailed. This proves the validity and feasibility of the different means.
【Key words】Human body skeleton； Reverse engineering； 3D reconstruction； Medical image
0 前言
在20世紀80年代以來，以計算機技術為核心的數字化技術飛速發展，相應的促進了醫學影像工程技術和逆向工程技術的發展，也為逆向工程技術應用于醫學領域奠定了技術基礎。90年代以后，逆向工程技術的醫學應用逐步發展，得到了人們的普遍關注并獲得了越來越廣泛的應用。
逆向工程技術（Reverse Engineering，簡稱RE）是指將實物轉換為CAD模型的相關數字化技術、幾何模型重建技術以及產品制造技術的總稱[1]。在本文中狹義的將其定義為從相關模型的數字信息的獲取、數字信息的處理到CAD模型形成這一過程中涉及的技術過程。
1 軟件介紹
Mimics是Materialise公司開發的交互式醫學圖像控制系統的簡稱，是對醫學CT和MRI圖像進行三維重建的專業軟件。該軟件能輸入各種掃描的數據（CT、MRI），建立3D模型進行編輯，然后輸出通用的CAD（計算機輔助設計）、FEA（有限元分析），RP（快速成型）格式，是介于醫學與機械領域之間的一套逆向軟件[2]；Geomagic是美國Raindrop公司的推出的逆向工程軟件，是成熟的逆向工程軟件之一。利用Geomagic可輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面。Imageware是著名的逆向工程軟件，廣泛應用于汽車、航空、航天、家具、模具及通用的機械行業。UG是功能強大的三維設計軟件，是當前世界上最先進的、緊密集成的、面向制造行業的CAD/CAE/CAM高端軟件。
2 人體骨骼模型重建方案
在逆向工程中，實體的三維模型重建是整個過程中最關鍵、最復雜的環節。在實際應用中，通常根據不同的數據來源和應用目的，選用不同的方法，本文嘗試提出以下兩種方案來重構人體骨骼或標本的三維模型。
2.1 基于CT/ MRI圖像的三維模型重構
2.1.1 重構方案
該方案是以感興趣的人體骨骼的CT/ MRI圖像為數據源的模型重建方案。技術路線如圖1所示，首先對人體骨骼進行CT/核磁掃描，獲取用于三維模型重建的CT/MRI圖像并以DICOM格式存儲，然后輸入到Mimics軟件中。為了確保圖像質量，先要對圖像進行預處理，然后進行圖像分割和邊緣的提取與處理，將軟組織與骨骼組織進行分離，得到所需組織區域。再通過區域生長處理對已經確定的某一層面的組織區域通過區域生長功能擴展到其他剩余層。最后通過Calculate 3D工具由mask計算所需組織的三維模型。為了得到較好的模型效果，需要對所建好的模型進行后期處理，如光順（Smoothing）、重新網格劃分（Remesh）等。重構的三維模型，可以以STL格式輸出文件，然后將文件輸入快速成型機，采用不同的快速成型材料及不同的快速成型方法[3]，得到用于不同目的的快速成形原型件。
因為STL格式是以三角面片來表示模型的，不是傳統意義上的CAD模型，不能對模型進行任意的修改。在將重構的組織模型用于假體設計及有限元分析等方面時，可以將得到的組織模型以圖形數據文件交換的一種標準格式，IGES格式，將模型輸出，得到模型的點云數據。然后利用逆向工程原理，進行三維重構，得到所需組織的CAD模型。
2.1.2 重建案例
使用CT掃描機，采集了人體頭部CT數據，如圖2a）所示。得到DIMCOM格式的顱骨掃描后的數據，運用Mimics軟件讀入計算機中，得到包括軟組織和骨組織在內的各具灰度特性的不同區域。在Mimics中進行顱骨重建主要通過數據預處理-區域分割-邊緣提取與處理-區域增長這樣的過程最終得到顱骨骨骼區域，最后將選定區域生成STL模型。
CT圖像是灰度圖像，每一點的灰度值反映了該處的密度[4]。骨骼的CT值因人而異，一般范圍為300-1500。通過人工干預，選擇合適的分割閾值，將骨骼和軟組織進行分割，如圖2b），然后進行邊緣提取及處理，對不需要的區域進行刪除。對于已經確定某一個層面的骨骼區域，通過區域生長功能可以方便的擴展到其他剩余層。最終提取出骨骼部分區域。通過區域生長完成的三維輪廓由于影像的誤差和分割的誤差，通常仍舊會包含一些不需要的結構部位，必須通過編輯處理手段把它們刪除。然后可經過反復驗證達到完善。在確認無誤的情況下，該三維模型可以以STL 文件格式輸出，生成STL模型，如同2c）所示。導入到快速成型設備中，用以制作快速成型件；或在輸出模塊中以IGES文件或DXF文件格式導出，用以進一步的計算機輔助設計或有限元分析，為從力學角度進一步研究做前期準備工作。
2.2 基于人體骨骼標本、模型的三維模型重構
2.2.1 重構方案
在實際研究中，有些人體組織不適于通過CT/MRI掃描得到，但現實有組織標本或模型，這時可以利用逆向工程的數字化儀器，對標本或模型進行掃描，得到點云數據，然后利用點云數據進行逆向重構。
重構時可以有兩種方法選擇：一是將IGES格式的點云數據導入Geomagic軟件中，利用該軟件的相應功能來完成從點云數據到多邊型模型和網格模型的構造，最后自動轉換為NURBS曲面模型。生成曲面模型后，仍然以IGES格式將模型導出，然后導入UG軟件，通過曲面縫合、加厚等功能生成實體模型。
另一種方法是將點云數據導入Imageware中，通過點云構造必要的特征曲線或曲面，然后導入UG中，通過線構造面的相關命令進行曲面建模，再利用構造實體的命令完成實體建模，最后得到實體的CAD模型。
在這兩種方法之中，選擇哪一種方法可視要構造模型的特點及使用者對軟件的掌握程度來做選擇。這一方案完成的實體模型，可以以IGES格式輸出后，輸入Ansys中進行有限元分析，也可為利用ADAMS動力學軟件進行運動與力學分析，還可在此模型的基礎上進行假體設計，當然也可以將模型輸出成STL格式，進行快速成型制作，還可以利用其他加工方法（如數控加工）進行實物模型的制作。
2.2.2 重建案例[5]
針對人體組織標本、模型的三維模型重構方案，以人體的下頜第一磨牙模型作為模擬對象，對其進行三維模型重建研究。
使用ATOS光學掃描系統將磨牙的模型進行掃描，獲得原始點云數據。通過ATOS掃描軟件對點云進行去除噪聲點、對齊、三角化、補洞、光順等數據預處理，然后以IGES格式導入Geomagic軟件中。在Geomagic中，先對點云進行進一步優化處理：如去除雜點、光順、優化點云的橫向點距、縱向點距等。然后通過wrap命令得到三角片表示的磨牙，如圖4a）所示。同時進入Polgon階段，進行基于三角片的曲面模型處理，通過對三角片的自相交、重疊、法向錯誤等問題進行處理后獲得比較規整的曲面模型，然后進入成形階段（Shape Phase），在對曲面分析的基礎上進行曲面片的合理劃分，對劃分好的曲面片進行網格構造（Construct Grid），在網格的基礎上擬合成NURBS曲面（Fit Surfaces），如圖4b）所示。在Geomagic中得到NURBS曲面模型后，將文件以IGES格式導出，然后導入UG中，通過曲面縫合，得到三維實體，如圖4c）所示?？梢詫ζ涓鞑课贿M行更進一步的分析研究，為進行牙體的生物力學研究和修復體優化設計提供生物力學基礎，以提供臨床治療與實驗研究的理論依據和參考。
3 結束語
根據不同的數據來源和應用目的，本文嘗試提出了兩種不同方案來重構人體骨骼或標本的三維模型。完整地回顧了重構的整個過程：從CT/ MRI圖像到STL模型，從點云數據的預處理到三維實體模型的生成。但是在不同的實際情況下，要求不同，需要實現的細節也不同，因此應根據實際情況的不同要求，采用合適的處理方法。
【參考文獻】
[1]金濤，童水光.逆向工程技術[M].北京：機械工業出版社，2003.
[2]羅東禮，等.醫學圖像三維重建中的關鍵算法[J].計算機工程與應用，2005，19：219-221.
[3]劉偉軍.快速成型技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2005.
三維模型范文6
關鍵詞：TBM；管片；有限元法
1 引言
TBM是Tunnel Boring Machine的縮寫，即全斷面隧洞掘進機，起始于20世紀70年代。TBM隧洞一般采用管片襯砌作為永久支護結構，管片設計和施工質量直接關系到工程的成敗。由于管片結構受力比較復雜，國內外學者在研究管片的受力和變形方面作了許多有意義的工作[1]。
2 管片變形計算的三維有限元實體模型
2.1 材料本構模型的選擇
圍巖與管片都是彈塑性材料，由于管片的安全在整個施工期和運行期間的重要性，設計時考慮偏安全的情況：圍巖與管片均處于彈性狀態，不考慮塑性。故本文使用線彈性模型對圍巖和管片進行模擬。
對于混凝土結構的模擬，ANSYS開發了專門用于抗壓強度遠大于抗拉強度的非均勻材料的Solid65單元，可以模擬混凝土中的加強鋼筋。Solid65單元中的鋼筋采用實常數的方法進行添加，鋼筋的尺寸由與混凝土的體積比確定，將鋼筋彌散于整個單元中，視加筋混凝土為連續均勻材料，求出一個統一的剛度矩陣。
2.2 管片與管片間接縫的模擬
TBM隧洞襯砌結構通常屬管片-接頭構造體系，其在隧洞橫斷面上為若干管片通過螺栓聯結成管片環（輸水隧洞也有無螺栓連接），呈通縫或錯縫拼裝而成。在TBM法隧洞裝配式管片受力設計過程中，由于管片之間存在接縫，使得管片接頭處的模擬變得極其復雜[2]。
本文采用三維有限元算法，按照各管片的實際構造型式建立三維有限元模型；在對管片接頭相互作用進行模擬時，引進ANSYS有限元程序中接觸模型和庫侖摩擦模型。在模擬管片之間的相互接觸時，認為管片之間依賴摩擦作用抑制相互之間的滑動，通過庫侖摩擦模型模擬襯砌管片之間的相互摩擦約束。
2.3 螺栓的模擬
螺栓的聯結和抗拉作用采用Link10單元來模擬。Link10單元是只能承受拉力（或者承受壓力）的桿單元，當啟動只拉不壓這個功能時適用于模擬螺栓的抗拉作用。
在設置單元實常數時，設置link10單元的初始應變（initial strain）為預緊力引起的螺桿應變，即可模擬螺栓的預緊力。
3 工程算例與分析
3.1 工程概況
某工程是一項大型跨流域調水工程，出口段采用TBM施工19.94km，開挖直徑為5.93m。TBM施工段采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑5.7m，內徑5.0m，寬1.5m。管片采用錯縫拼裝，錯縫角度為36？。管片與圍巖之間的空隙用豆礫石充填并進行豆礫石回填灌漿。
引水隧洞穿越的地質主要為：泥巖夾砂巖、破碎花崗片麻巖、石英巖、石英片麻巖、角閃石英片巖、花崗片麻巖等。巖石強度變化大，最小飽和抗壓強度為5MPa，最大飽和抗壓強度為160MPa。隧洞中存在斷層及破碎影響帶、高壓富水地段、煤氣瓦斯地層、高地應力、硬巖巖爆、軟巖塑性變形等不良地質。
3.2 計算模型
根據工程經驗及彈性力學計算分析，隧洞的開挖對圍巖應力的影響只有洞徑的3倍，因此，在覆蓋層較厚的洞室圍巖應力計算時，僅取出隧洞及隧洞周圍3倍洞徑的圍巖進行三維有限元分析計算，隧洞位于計算模型中部，其余以邊界約束或外部壓力代替，考慮到軸線方向襯砌管片布置的間隔對稱性，軸線方向計算長度取3倍管片的寬度。隧洞開挖直徑是5.93m，管片寬度是1.5m，故模型的范圍為35.6m×35.6m×4.5m。邊界約束條件為：上部邊界和左邊界為自由邊界，右邊界為水平位移為零的約束邊界（水平鏈桿），下邊界為垂直位移為零的約束邊界（垂直鏈桿）。
管片混凝土標號為C40，厚度為0.35m，寬度為1.5m。管片襯砌的有限元模型應盡量接近于實際設計形態及布置，以獲得更加可靠的數據，更好地為工程設計服務。
因TBM掘進過程在土體中的超挖和豆礫石填充不滿，在管片與周圍土體之間出現間隙。管片外的間隙一般為向下的月牙形，考慮到間隙將被落土充填，故將豆礫石灌漿層混凝土標號降為C25，用以模擬充填不密實的影響。
3.3 計算成果及分析
考慮不同側壓力系數，埋深為600m的管片的受力和變形情況，繪于圖3.1～圖3.2，不同側壓力系數不同埋深的管片襯砌的最大位移和應力列于表3.3。
計算結果表明：
（1）當側壓力系數？姿1時，水平方向的力起主導作用，因而位移最大值出現在管片的兩側。
（2） 當側壓力系數？姿1時，最大壓應力出現在管片兩側的內側，不出現拉應力，隨著側壓力系數？姿的增大，最大主應力和最小主應力都增大，當埋深達到一定深度時，最大主應力（壓應力）超過C40混凝土的設計抗壓強度，管片襯砌混凝土主要表現為受壓破壞。
（3） 在管片接頭處均產生應力集中。當側壓力系數？姿1時，頂部和底部的應力集中較兩側嚴重。
結束語
本文采用實體有限元模型，用接觸單元和庫侖摩擦單元模擬襯砌管片與管片之間的接縫，通過降低混凝土標號的方法來模擬豆礫石的充填不密實的影響，用link10單元來模擬螺栓的抗拉作用，分析完整圍巖條件下管片的受力與變形特征，是在該領域的一個有益嘗試，對今后開展的理論與工程設計的研究也有重要的參考價值。
參考文獻
