杭 芬，郝向陽(yáng)

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450000)

1 引言

對(duì)于教學(xué)和科研來說，利用無人機(jī)建造三維網(wǎng)格圖形模型發(fā)揮著重要作用，大量模型試驗(yàn)都可以上升成理論[1-3]。目前我國(guó)建立的城鎮(zhèn)無人機(jī)高分辨率三維網(wǎng)格圖形模型建立方式主要有三種：第一種是利用Auto軟件建立的，該軟件在構(gòu)建機(jī)體造型和曲面外形時(shí)，操作非常簡(jiǎn)單，能夠很好地計(jì)算出無人機(jī)在飛行過程中的穩(wěn)定性、所受阻力以及功率，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最后利用無人機(jī)采集城鎮(zhèn)圖像；第二種是利用Constructor軟件建立的，該軟件是通過二次開發(fā)得到的，擁有一套完備的建模方式，能夠?qū)C(jī)體構(gòu)建成一個(gè)有機(jī)整體，且更新及時(shí)；第三種是利用Max Surf軟件建立的，能夠快速地建立出城鎮(zhèn)建筑模型的線型，尤其是在曲面設(shè)計(jì)上，十分真實(shí)，能較為精準(zhǔn)地計(jì)算出輸出型值，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。傳統(tǒng)模型雖然具有較強(qiáng)的分辨能力，但是得到的三維網(wǎng)格圖形很難滿足細(xì)分連續(xù)的特性，所有的網(wǎng)格重組都需要經(jīng)過預(yù)處理，準(zhǔn)確度相對(duì)較差[5]。

本文基于目前的研究成果，針對(duì)城鎮(zhèn)無人機(jī)建立高分辨率三維網(wǎng)格圖形仿真模型，對(duì)無人機(jī)采集到的城鎮(zhèn)圖像模型的曲線曲面生成、光順、三維造型、顯示效果以及幾何參數(shù)進(jìn)行分析，通過仿真驗(yàn)證所建立的三維網(wǎng)格圖形模型的正確性和適用性。

2 城鎮(zhèn)無人機(jī)高分辨率三維網(wǎng)格圖形建模環(huán)境

本文在建立城鎮(zhèn)高分辨率三維網(wǎng)格圖形模型時(shí)，選用的建模軟件為Unigraphics軟件，簡(jiǎn)稱UG軟件，該軟件同時(shí)具備三種系統(tǒng)：CAD系統(tǒng)、CAM系統(tǒng)、CAE系統(tǒng)[6]。

UG建模方法打破傳統(tǒng)的二維建模方法，用戶在短時(shí)間內(nèi)就可以通過計(jì)算機(jī)看到立體的城鎮(zhèn)三維圖像，基于此，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬制造時(shí)，損失大大減少，加工過程中避免了不必要的浪費(fèi)，成本低，設(shè)計(jì)周期短，產(chǎn)品質(zhì)量高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)[7]。UG開發(fā)環(huán)境如圖2所示。

圖2 UG軟件模塊

UG擁有三個(gè)模塊，分別為實(shí)體建模模塊、虛擬裝備模塊和工程制圖模塊，如圖1所示。

圖1 UG開發(fā)環(huán)境

1)實(shí)體模塊中擁有大量建模工具，可根據(jù)表面線框、曲面特征和各種參數(shù)完成建模，支持建立各種復(fù)雜構(gòu)件，如：孔、槽、圓柱、體、快等，同時(shí)能夠?qū)⒌母鞣N構(gòu)件都可以鏤空處理，實(shí)體模塊可以同時(shí)提供模型和草圖，分析不同產(chǎn)品的特點(diǎn)，根據(jù)產(chǎn)品不同特點(diǎn)建立不同的模型。實(shí)體模型在UG模塊中充當(dāng)主模塊的作用，其它模塊的工作都需要與主模塊協(xié)調(diào)才能完成。

2)與虛擬裝配模塊配置的系統(tǒng)不同，得到的裝配構(gòu)架建模方法也不同，CAD系統(tǒng)得到的構(gòu)建方法為多零件法，CAM系統(tǒng)得到的方法為虛擬裝配法，二者最大的區(qū)別在于是否具備智能化條件，使用CAD系統(tǒng)時(shí)，則代表虛擬裝配模塊具備智能化條件，使用CAM模塊時(shí)，則代表虛擬裝配模塊不具備智能智能化條件[8]。

虛擬裝配模塊中使用的鏈接為指針鏈接，對(duì)內(nèi)存的需求較少，配置過程也得到簡(jiǎn)化，參與虛擬配置的各個(gè)部件定位十分靈活，定位之間有明顯的相關(guān)性，根據(jù)參數(shù)就可以分析出部件配置所在位置。建模過程中雖然可以使用所有主數(shù)據(jù)，但是不可以自動(dòng)更改主數(shù)據(jù)。所有的建模過程都是并行的，有效縮短了建模時(shí)間，節(jié)約了建模成本[9]。

3)工程制圖能夠?qū)D樣與設(shè)計(jì)模型形成關(guān)聯(lián)，根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果創(chuàng)建與實(shí)體剖視圖，與實(shí)體模型協(xié)調(diào)后，可以得到一致的二維工程圖。工程圖的尺寸會(huì)隨著實(shí)體圖的改變而改變，這種方式可以縮小更新時(shí)間，降低誤差。

作為一個(gè)全三維、雙精度的系統(tǒng)，UG可以用來繪制任何圖形，十分適合繪制三維網(wǎng)格圖形，從設(shè)計(jì)到建成可以真正意義的實(shí)現(xiàn)無圖紙化生產(chǎn)，十分適合建立城鎮(zhèn)無人機(jī)高分辨率三維網(wǎng)格圖形模型[10]。

3 城鎮(zhèn)無人機(jī)高分辨率三維網(wǎng)格圖形建模過程

城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，傳統(tǒng)地建模方式只能夠片面地反映出城鎮(zhèn)構(gòu)造的大致形狀，不具備完全表述功能。城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)模型是有厚度的，因此它的表面也有兩層，分別是內(nèi)表面和外表面，其模型圖像中所有平面都必須是平滑的[11]。通過型線圖表示內(nèi)表面，得到的三維網(wǎng)格圖形加工和計(jì)算更加容易。

將獲取的圖像導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件的步驟如下：

第一步，將上述獲取的原始圖像文件，另存為“TIFF”格式。

第二步，打開“光柵圖像”對(duì)話框，單擊“指定TIFF圖像”按鈕，選定上一步保存的TIFF圖片文件。

第三步，單擊“創(chuàng)建光柵圖像”按鈕，按鈕顯示為灰色，在繪圖區(qū)域顯示光柵圖像，調(diào)整圖像擺放方位及大小，完成UG的圖像導(dǎo)入，最終在UG軟件中，將導(dǎo)入的原始圖像進(jìn)行融合處理，為下一步構(gòu)建城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)高分辨率三維網(wǎng)格圖形建奠定基礎(chǔ)。城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)高分辨率三維網(wǎng)格圖形建模思路如圖3所示。

圖3 城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)高分辨率三維網(wǎng)格圖形建模過程

第一步：建立原始圖像。采集的原始圖像包括主視圖、左視圖、俯視圖和右視圖四個(gè)部分，針對(duì)具體的城鎮(zhèn)網(wǎng)格模型圖建立不同的參數(shù)。

第二步：建立過渡圖像。過渡圖像為基本圖形，內(nèi)部包含了所有關(guān)鍵信息，為下一步工作打下基礎(chǔ)。

第三步：建立關(guān)鍵圖像。關(guān)鍵圖像能夠以信息的形式表達(dá)實(shí)體圖像。

第四步：建立最終圖像。最終圖像代表得到的三維實(shí)體模型。

根據(jù)以上步驟可以完成城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)模型的CAD設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)該模型進(jìn)行加工仿真。

三維網(wǎng)格圖像中的型線圖在城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)圖樣中占據(jù)著重要地位，是重要的基本圖樣，不僅能夠表示城鎮(zhèn)中建筑的形狀和大小，同時(shí)能夠幫助工作人員分析城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)組成，三維網(wǎng)格圖形建立的是否精確，直接影響后續(xù)的計(jì)算結(jié)果以及建造質(zhì)量，因此目前對(duì)三維網(wǎng)格圖形精細(xì)度要求都比較高。無人機(jī)航攝使用的量測(cè)相機(jī)像幅為18cm×18cm，由此可見非量測(cè)相機(jī)的像幅很小，因此，為在有限的圖像像幅中獲取精細(xì)度較高的圖像，將在獲取三維仿真模型之前進(jìn)行空中三角測(cè)量，通過布設(shè)地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)完成城鎮(zhèn)圖像區(qū)域網(wǎng)平差，本文將選用控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)各30個(gè)，以確定本文獲取城鎮(zhèn)圖像的精細(xì)度。

由表1可知，控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度均控制得較好。在上述測(cè)量處理后，進(jìn)行生成城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)三維仿真模型，三維網(wǎng)格圖形擁有三個(gè)投影面，分別為正投影面、水平投影面和側(cè)投影面，通過將這些平面與機(jī)體的交線投影在一起得到三維網(wǎng)格圖形。城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)三維仿真模型如圖4所示。

表1 空三精度表

圖4 無人機(jī)三維仿真模型

三維仿真圖形中平行于V面得到的平面曲線具有積聚性，所有的投影都能夠投射在同一個(gè)直線上，利用縱剖面得到城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)形狀[12]。

三維網(wǎng)格圖形中的各類線型和線型所在視圖上的投影組成了三維網(wǎng)格圖像，為了使網(wǎng)格圖反映的效果更加真實(shí)，各類線型都不會(huì)直接覆蓋在機(jī)體外表面，而是通過透視的方式表達(dá)出來。三維網(wǎng)格中的線型所處位置復(fù)雜，樣條形狀多樣，曲線走向自由，大量線條反映出城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵信息。三維網(wǎng)格圖形的表達(dá)方式如圖4所示。

觀察圖5可知，沿著地形方向建立x軸和y軸，設(shè)定x軸方向有網(wǎng)格點(diǎn)P個(gè)，y軸方向有網(wǎng)格點(diǎn)Q個(gè)，網(wǎng)格點(diǎn)之間的間距分別為Δx和Δy，從坐標(biāo)軸到三維網(wǎng)格圖形中的距離，沿著x軸的被記為L(zhǎng)，沿著y軸的被記為W，則可以得到如下公式

圖5 三維網(wǎng)格圖形表達(dá)方式

(1)

(2)

圖5中α為無人機(jī)采集城鎮(zhèn)圖像時(shí)從地面飛到天空中飛垂向爬升角，θ為無人機(jī)在水平面轉(zhuǎn)彎時(shí)形成的角，無人機(jī)所在的位置為O，得到的映射圖像為A、B、C、D和O′。

三維網(wǎng)格圖形中包括多個(gè)離散點(diǎn)，也是CFD模型的幾何表達(dá)式，為模擬、分析和計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。三維網(wǎng)格圖形的質(zhì)量精度對(duì)之后的計(jì)算效率有著很重要的影響，對(duì)于一些復(fù)雜的建模問題，三維網(wǎng)格模型生成時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，也更加容易出錯(cuò)，所以要投入更多的關(guān)注量。

三維網(wǎng)格圖形分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩種，當(dāng)數(shù)值計(jì)算的坐標(biāo)系位于正交和非正交曲線中間，生成的三維網(wǎng)格圖形為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和其它鄰點(diǎn)之間的關(guān)系維持不變，固定關(guān)系在網(wǎng)格之間表現(xiàn)出來，不需要專門設(shè)置參數(shù)。相較于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成速度更快，網(wǎng)格質(zhì)量更好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，所形成的區(qū)域十分光滑，接近實(shí)際模型。由于城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)的造型都是平面造型，所以使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格取得的效果更好。

為了能夠達(dá)到高分辨率的效果，三維網(wǎng)格圖形會(huì)被分成若干個(gè)小塊，每個(gè)小塊被劃分在網(wǎng)格之間，采用的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，塊與塊之間可以拼接，這種方式加強(qiáng)了圖形的流暢性，整體拼湊起來也不會(huì)顯得突兀。

城鎮(zhèn)無人機(jī)高分辨率三維網(wǎng)格圖形遠(yuǎn)場(chǎng)邊界示意圖如圖6所示。

圖6 三維網(wǎng)格圖形遠(yuǎn)場(chǎng)邊界示意圖

三維網(wǎng)格圖形會(huì)被分成兩個(gè)區(qū)域，分別是靜止區(qū)和運(yùn)動(dòng)區(qū)，內(nèi)部包含計(jì)算域和滑流邊界，對(duì)于建模結(jié)果有著重要影響。計(jì)算域越大，網(wǎng)格數(shù)量越多，建模時(shí)間也會(huì)加強(qiáng)，對(duì)于硬件的需求隨之增高。圖6得到的示意圖是通過MRF方法得到的，根據(jù)上述遠(yuǎn)場(chǎng)邊界示意圖進(jìn)行建模，可以得到精準(zhǔn)的三維網(wǎng)格模型。

通過CFD軟件處理后的城鎮(zhèn)無人機(jī)高分辨率三維網(wǎng)格模型相較于傳統(tǒng)方法取得的效果更好。主要是因?yàn)镃FD軟件的處理器要優(yōu)于其它處理器，內(nèi)部操作界面穩(wěn)定，不同網(wǎng)格在處理器中間可以任何裝配，對(duì)于類似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)格模型而言，工作量得到大大減少，O型網(wǎng)格的使用能夠顯著提高網(wǎng)格質(zhì)量。

得到的遠(yuǎn)場(chǎng)域網(wǎng)格和旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)場(chǎng)域網(wǎng)格和旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格

過度網(wǎng)格截面如圖8所示。

圖8 過度網(wǎng)格截面

對(duì)比圖7和圖8可知，相較于遠(yuǎn)場(chǎng)域網(wǎng)格和旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格，過度網(wǎng)格截面的圖形更加復(fù)雜，內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)數(shù)更多，網(wǎng)格質(zhì)量也更多。通常對(duì)于一些簡(jiǎn)單模型而言，使用的網(wǎng)格截面為遠(yuǎn)場(chǎng)域和旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格截面，而對(duì)于一些復(fù)雜模型而言，使用的網(wǎng)格截面為過度網(wǎng)格截面。

4 仿真研究

為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的城鎮(zhèn)無人機(jī)高分辨率三維網(wǎng)格圖形模型的工作效果，設(shè)計(jì)了對(duì)比仿真，選用本文研究的三維網(wǎng)格圖形模型分別和利用Auto軟件建立的模型、利用Constructor軟件建立的模型以及利用Max Surf軟件建立的模型進(jìn)行對(duì)比，比較建模時(shí)間和工作成本。

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)采用傳統(tǒng)模型和本文模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2 結(jié)果與分析

得到的結(jié)果如下所示。

1)建模成本對(duì)比

分析圖9可知，當(dāng)建模時(shí)間為5min，本文研究的模型花費(fèi)的成本為0.014萬元，利用Auto軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.021萬元，利用Constructor軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.023萬元，利用Max Surf軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.025萬元；當(dāng)建模時(shí)間為10min，本文研究的模型花費(fèi)的成本為0.013萬元，利用Auto軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.016萬元，利用Constructor軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.021萬元，利用Max Surf軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.025萬元；當(dāng)建模時(shí)間為15min，本文研究的模型花費(fèi)的成本為0.0105萬元，利用Auto軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.014萬元，利用Constructor軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.018萬元，利用Max Surf軟件建立的模型花費(fèi)的成本為0.025萬元。

圖9 建模成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2)建模時(shí)間對(duì)比

觀察圖10可知，隨著建模次數(shù)的增加，建模成本也在不斷降低，但是本文研究的模型花費(fèi)成本始終低于傳統(tǒng)模型花費(fèi)成本。

圖10 建模時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)對(duì)比結(jié)果可知，相較于傳統(tǒng)模型，本文模型建立的時(shí)間更短，花費(fèi)成本更低，能夠在短時(shí)間內(nèi)建立出有效模型，對(duì)于研究無人機(jī)飛行有著重要意義。

5 結(jié)束語

針對(duì)城鎮(zhèn)無人機(jī)高分辨率三維網(wǎng)格圖形建模進(jìn)行深入研究，闡述了建模過程選用的軟件環(huán)境，介紹了構(gòu)成原理和形成的無人機(jī)三維網(wǎng)格圖形模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過分析三視圖，判斷建立模型的準(zhǔn)確性。通過仿真對(duì)模型的實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證。本文對(duì)網(wǎng)格模型研究透徹深入，三維模型的建成，有效實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過程的自動(dòng)化、快速化和精確度。