三維模型設(shè)計(jì)方法三維模型設(shè)計(jì)方法

院級(jí)精品在線課程

項(xiàng)目二

三維工程設(shè)計(jì)《快速成型技術(shù)與應(yīng)用》2-1三維模型設(shè)計(jì)方法本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解產(chǎn)品三維模型設(shè)計(jì)的幾種方式了解目前市場(chǎng)上主要的3D建模軟件河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院構(gòu)造三維模型模型近似處理成型方向選擇切片處理前處理分層疊加成型后處理光固化快速成型－SLA疊層實(shí)體制造－LOM選擇性激光燒結(jié)－SLS熔融沉積制造－FDM工件剝離或去支撐等強(qiáng)硬化處理表面處理快速成型制作過程快速成型的前處理設(shè)計(jì)過程先通過計(jì)算機(jī)軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。什么是產(chǎn)品三維模型設(shè)計(jì)？就是利用三維制作軟件通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院一、構(gòu)建三維模型的三種方式：1.利用3D建模軟件構(gòu)建模型2.基于圖像構(gòu)建3D模型3.利用3D掃描儀構(gòu)建3D模型（逆向設(shè)計(jì)）1.利用3D建模軟件構(gòu)建模型

目前市場(chǎng)上有很多3D建模軟件，其中包括SketchUp、Blender、3Done等開源的3D建模產(chǎn)品，以及CAD、3DMax、pro/E、maya等商業(yè)軟件。它們專注于不同的領(lǐng)域，例如CAD主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、而maya則主要應(yīng)用于動(dòng)畫、影視方面。

具體步驟：（1）建立工作空間的坐標(biāo)系（包括原點(diǎn)，坐標(biāo)軸和基準(zhǔn)平面）；（2）在草繪平面繪制模型的特征截面或掃描軌跡，并根據(jù)參照平面放置特征截面的各圖形元素；（3）對(duì)二維特征截面進(jìn)行拉伸，旋轉(zhuǎn)，掃描等操作，可生成三維模型的基礎(chǔ)特征。

特征是構(gòu)成三維模型的基礎(chǔ)，各種各樣的三維模型就是由不同的特征按照一定的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組合所形成的集合體。工業(yè)設(shè)計(jì)類軟件市面上的三維軟件分為兩種類型，一種屬于藝術(shù)創(chuàng)作設(shè)計(jì)用，另一種屬于工業(yè)設(shè)計(jì)用。這之間有著很大的區(qū)別：設(shè)計(jì)

螺桿螺母（UG）設(shè)計(jì)方法與步驟:步驟一：創(chuàng)建螺桿主體步驟二：創(chuàng)建螺桿三角螺紋步驟三：創(chuàng)建螺母主體步驟四：創(chuàng)建螺母三角螺紋（1）

Maya美國(guó)Autodesk公司出品的世界頂級(jí)的三維動(dòng)畫軟件，應(yīng)用對(duì)象是專業(yè)的影視廣告，角色動(dòng)畫，電影特技等。Maya功能完善，工作靈活，易學(xué)易用，制作效率極高，渲染真實(shí)感極強(qiáng)，是電影級(jí)別的高端制作軟件。/products/maya/features藝術(shù)創(chuàng)作類軟件

（2）

3Dmax

Discreet公司開發(fā)的(后被Autodesk公司合并)基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。運(yùn)用在電腦游戲中的動(dòng)畫制作，后更進(jìn)一步開始參與影視片的特效制作，例如X戰(zhàn)警II，最后的武士等。在Discreet3Dsmax7后，正式更名為Autodesk3dsMax,，最新版本是3dsmax2018。/products/3ds-max/features

（3）

Zbrush

ZBrush是一個(gè)數(shù)字雕刻和繪畫軟件，它以強(qiáng)大的功能和直觀的工作流程徹底改變了整個(gè)三維行業(yè)。它將三維動(dòng)畫中間最復(fù)雜最耗費(fèi)精力的角色建模和貼圖工作，變成了小朋友玩泥巴那樣簡(jiǎn)單有趣。設(shè)計(jì)師可以通過手寫板或者鼠標(biāo)來控制zbrush的立體筆刷工具，自由自在地隨意雕刻自己頭腦中的形象。他細(xì)膩的筆刷可以輕易塑造出皺紋、發(fā)絲、青春痘、雀斑之類的皮膚細(xì)節(jié)，包括這些微小細(xì)節(jié)的凹凸模型和材質(zhì)。成為專業(yè)動(dòng)畫制作領(lǐng)域里面最重要的建模材質(zhì)的輔助工具。（4）Rhino

Rhino是美國(guó)RobertMcNeel&

Assoc.開發(fā)的PC上強(qiáng)大的專業(yè)3D造型軟件，它可以廣泛地應(yīng)用于三維動(dòng)畫制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。是一款超強(qiáng)的三維建模工具，大小才幾十兆，硬件要求也很低。不過不要小瞧它，它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模感覺非常流暢，所以大家經(jīng)常用它來建模，然后導(dǎo)出高精度模型給其他三維軟件使用。２.基于圖像構(gòu)建模型

這種建模方法需要提供一組物體不同角度的序列照片，利用計(jì)算機(jī)輔助工具，即可自動(dòng)生成物體的3D模型。這種方法主要針對(duì)已有物體的3D建模工作，操作較為簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度很高，成本低，真實(shí)感強(qiáng)。例如：Autodesk123DCatch就是一種基于圖像的3D建模軟件，用戶需要對(duì)著物體簡(jiǎn)單拍攝幾張照片，軟件就能輕松自如地為其生成3D模型。3.利用3D掃描儀構(gòu)建3D模型(逆向設(shè)計(jì))

三維掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，通過測(cè)量空間物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，得到物體表面的點(diǎn)云信息，并轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以直接處理的三維模型，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。18三維掃描儀的分類19（1）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

接觸式測(cè)量又稱為機(jī)械測(cè)量，這是目前應(yīng)用較廣的自由曲面三維模型數(shù)字化方法之一。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是接觸式測(cè)量?jī)x中的典型代表，它以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。根據(jù)測(cè)量傳感器的運(yùn)動(dòng)方式和觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生方式的不同，一般將接觸式測(cè)量方法分為單點(diǎn)觸發(fā)式和連續(xù)掃描式兩種。

20

工作原理：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量傳感器的主要形式為各種不同直徑和形狀的探針(或稱為接觸測(cè)頭)，當(dāng)探針沿被測(cè)物體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，被測(cè)表面的反作用力使探針發(fā)生形變。這種形變觸發(fā)測(cè)量傳感器，將測(cè)出的信號(hào)反饋給測(cè)量控制系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理得到所測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的原理

將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上，通過手動(dòng)或自動(dòng)對(duì)物體進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，將物體測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)位置經(jīng)計(jì)算機(jī)處理成被測(cè)物體的幾何尺寸和空間的的相互位置關(guān)系。

骨骼的掃描及反求22232425

優(yōu)點(diǎn)：（1）適用性強(qiáng)、精度高（可達(dá)微米級(jí)別）；

（2）不受物體光照和顏色的限制.

適用于沒有復(fù)雜型腔、外形尺寸較為簡(jiǎn)單的實(shí)體的測(cè)量；

缺點(diǎn)：（1）不能對(duì)軟質(zhì)的物體進(jìn)行測(cè)量（可能損傷探頭和被測(cè)物表面）；

（2）受環(huán)境溫濕度影響；

（3）掃描速度受到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的限制，且測(cè)量前需要規(guī)劃測(cè)量路徑，測(cè)量速度慢、效率低；

目前還需要人工干預(yù)，不可能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量；接觸測(cè)頭的掃描路徑不可能遍歷被測(cè)曲面的所有點(diǎn)，它獲取的只是關(guān)鍵特征點(diǎn)，因而，它的測(cè)量結(jié)果往往不能反映整個(gè)零件的形狀。接觸式測(cè)量的特點(diǎn)（2）非接觸式測(cè)量

非接觸式設(shè)備是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象，如聲、光、電磁等，來獲取物體表面的三維坐標(biāo)信息。其中以應(yīng)用光學(xué)原理發(fā)展氣流的測(cè)量方法應(yīng)用最為廣泛。隨著“光機(jī)電一體化”技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合了計(jì)算機(jī)、圖像處理、激光技術(shù)以及精密機(jī)械的三維激光掃描機(jī)逐漸成為逆向工程中測(cè)量設(shè)備的主流。

26三維激光掃描儀：

三維激光掃描儀的分類：

按照不同工作原理來分類，可分為脈沖測(cè)距法（亦稱時(shí)間差測(cè)量法）和三角測(cè)量法。

①脈沖測(cè)距法：激光掃描儀由激光發(fā)射體向物體在時(shí)間t1發(fā)送一束激光，由于物體表面可以反射激光，所以掃描儀的接收器會(huì)在時(shí)間t2接收到反射激光。由光速c，時(shí)間t1，t2算出掃描儀與物體之間的距離d=(t2-t1)c/2。

當(dāng)用該方式測(cè)量近距離物體的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生很大誤差。所以相位法比較適合測(cè)量遠(yuǎn)距離物體，如地形掃描，但是不適合于近景掃描。

②三角測(cè)量法：用一束激光以某一角度聚焦在被測(cè)物體表面，然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點(diǎn)的位置高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCD（圖像傳感器）光電探測(cè)器測(cè)出光斑像的位置，就可以計(jì)算出主光線的角度θ。然后結(jié)合己知激光光源與CCD之間的基線長(zhǎng)度d，經(jīng)由三角形幾何關(guān)系推求掃描儀與物體之間的距L≈dtanθ。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量距離大、抗干擾、測(cè)量點(diǎn)?。◣资⒚祝?、測(cè)量準(zhǔn)確度高。但是會(huì)受到光學(xué)元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強(qiáng)和直徑大小以及被測(cè)物體的表面特征等因素的影響。30三維拍照式掃描儀

在非接觸式三維掃描儀中，還有一個(gè)很重要的就是三維白光掃描儀，其工作過程類似于照相過程，掃描物體的時(shí)候一次性掃描一個(gè)測(cè)量面，快速，簡(jiǎn)潔，因此而得名。照相式三維掃描采用的是面光技術(shù)，掃描速度非?？?，一般在幾秒內(nèi)便可以獲取百萬(wàn)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，基于多視角的測(cè)量數(shù)據(jù)拼接，則可以完成物體360度掃描，是三維掃描和工業(yè)設(shè)計(jì)、工業(yè)檢測(cè)的好助手。

31

三維拍照式掃描儀工作原理：采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的三維非接觸式測(cè)量方式，測(cè)量時(shí)光柵（光點(diǎn)）裝置投射數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光線（點(diǎn)）到待測(cè)物體上，成一定夾角的兩個(gè)(或多個(gè))攝像頭同步采得相應(yīng)圖象，然后對(duì)圖象進(jìn)行相位和解碼計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測(cè)量原理，解算出兩個(gè)(或多個(gè))工業(yè)相機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)物體表面像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。32三維掃描儀的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）測(cè)量速度非?？?，不必像接觸觸發(fā)探頭那樣逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。（2）可測(cè)量材質(zhì)較軟的產(chǎn)品，如塑膠薄件、不可接觸等高精密物件。缺點(diǎn)：（1）測(cè)量精度較差。（2）易受工件表面的反射特性的影響，對(duì)個(gè)別顏色（如黑色）及透明材料有限制，需要噴涂顯像劑方能較好的掃描出來。（3）測(cè)量