论文基于智能手机增强现实环境下的快速逆向设计，本文是增强现实方面论文范文文献与增强现实和逆向设计研究和智能手机方面毕业论文范文.
【摘 要】 逆向工程是实现新产品快速开发的重要技术手段.本文提出了一种基于智能手机程序的产品快速逆向设计方法,探讨并采用增强现实技术和视觉测量相结合的数据采集方法,利用逆向设计软件Geomagic Studio 对数据进行处理,CAD 模型重构和参数化设计.实验结果表明,该方法能够降低开发难度,广泛地应用于产品的改型与创新设计.
【关键词】 智能手机 增强现实 三维重建技术 逆向设计
引言：增强现实（AR）是近年来学术界的一个研究热点,它是虚拟现实（VR）的一个重要分支1.近年来随着计算机视觉、图像处理及模式识别的快速发展,极大地推动了基于增强现实的三维模型重建技术.借助传统三维数字化测量设备进行三维模型重建,虽然测量结果精度较高,但往往需要专业的操作人员和昂贵的三维检测设备,且相当耗时,难以满足实时、快速的检测需求.智能手机作为理想的移动增强现实应用设备,可以利用其内嵌的摄像机从不同角度和方向拍摄物体的多幅图像,并通过软件程序的跟踪重建出物体的几何结构模型.本文研究基于增强现实系统,通过IOS 程序手机软件平台跟踪定位物体的位姿,拍摄视频序列图像并恢复出相应的三维数据的方法,并将数据用于进一步逆向CAD模型重构.
一、基于增强现实系统的位姿估计
三维物体识别与定位技术是增强现实领域的重要问题之一.基于跟踪技术的原理,在真实场景中放置标定物,结合角点的坐标,在手持设备内部参数已知的情况下,根据摄像机定标算法可以得到摄像头外部参数从而完成跟踪匹配,解决了智能手机点位准确性难以保证,物镜畸变严重的问题.本研究中的智能手机软件程序采用了QR 码2 的矩阵二维条码平面作为标记板,QR 码可以储存压缩容量巨大的图像信息,程序可快速准确地识别附着有标记板（其四个特征角点必须包含在内）的环境空间,准确计算出标记板坐标系相对于相机坐标系的转换矩阵,标记卡坐标系与手机摄像机坐标系之间的关系转换关系如下图1 所示.
QR 标记板坐标系与手机摄像机坐标系之间,存在以下转换关系：
上式即为标记板与摄像机转换方程,其中P3×3 为标记板坐标系对摄像机坐标系的旋转矩阵,W3×1 为标记板坐标系到摄像机坐标系的平移向量.通过QR 码四个角点m1,m2,m3,m4 的成像坐标及四个角点在标记板坐标系上的坐标,可以求得标记板坐标系相与摄像机坐标系的平移向量,由此可得最终的转换矩阵,进而确立标记板相对于摄像机的位置姿态.将边长的长度比为1:1 的区域作为所要寻找的位置探测物体几何特征.
二、基于图像的三维重建
计算机视觉、图像处理以及模式识别的快速发展,极大地推动了基于图像序列的三维重建技术3,该技术可以利用普通的摄像机从不同角度和方向拍摄物体的多幅图像,这些图像按照拍摄的先后顺序组织成一个序列,同时还能从图像序列中获取光照、阴影、遮挡、纹理等信息4,这些信息可以用来重建三维模型.其灵活方便的采集方式适合于本文所研究曲面形貌复杂的小型物体的三维测量.QR 标记板位姿估算后,软件平台会实时出现一个由五层网格分布均匀的多边形曲面穹顶覆盖扫描件,可以排除三维特征中多片点云的错误匹配,降低噪声环境对三维点云表面特征的影响.在增强现实环境的引导下,通过内置的陀螺仪及其他高性能传感器,手动调节拍摄的角度和高度,可以跟踪获取多组多角度序列图像,为了保证序列图像重建的精度,分别取物体的两个不同角度进行测量,以此获取更高精度几何特征.如图2、3 所示表明两坐标环境下的数据采集过程.
三、逆向模型重构及参数化设计
3.1 逆向建模技术原理
目前实现逆向曲面模型重建的方法大致可以分为两类：传统曲面造型方式和快速曲面造型方式.传统曲面造型方式通常指遵从典型的逆向工程流程,即点——线——面或点——面,藉由使用Bézier 和NURBS 曲面直接由曲面或测量点来创建曲面5.这种方法需要投入大量的建模时间,需要熟练的建模人员参与,在应用推广上受到很大限制.快速曲面造型则简单、直观,适于快速计算,顺应目前CAD 工程软件和快速原型制造多边形表示的需要,已成为应用最为广泛的一类方法.通过对点云的网格化处理,轻易地从点云创建出完美的多边形模型和样条四边形网格,并转换为NURBS 曲面,建模效率高.
3.2 逆向建模和参数化设计
图4 为智能手机程序导出的STL 格式数据.由于计算机视觉系统的计算复杂度高,算法冗繁,误差精度容易受到光线、环境等方面的影响,智能手机视觉系统提供的测量数据依然需要进行多边形网格数据的处理.下面将采用GeomagicStudio 进行逆向建模和参数化设计.具体操作步骤如下：
（1）多边形网格数据表面光顺与优化处理.如图5 所示,主要通过网格医生完成初步数据修正,清除、删除钉状物,减少噪点以光顺三角网格；并进一步简化三角面片数目；锐化曲面之间的连接,形成角度；创建边界,调整边界控制点的数量并做优化处理.（2）实现数据分割与曲面重构,通过获得整齐的划分网格,从而拟合出光顺的曲面.主要通过自动拟合曲面,构造曲面片,构造格栅,对格栅进行松弛、编辑、简化等处理,拟合NURBS 曲面.如图6、7、8 所示.
四、结语
本文通过增强现实环境系统,直接对手机拍摄的图像、视频、三维模型等多元信息进行数据采集,在逆向设计软件Geomagic Studio 中对数据进行网格化处理和NURBS 曲面拟合,最终转化成完整的曲面模型.该方法具有交互性强,运算速度快,三维重建精度较高等特点,非常适合快速逆向设计和创新设计.随着智能手机增强现实技术和摄像头性能的不断优化,基于智能移动设备的三维检测也必将成为逆向设计和3D 打印应用领域的新趋势.
参 考 文 献
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本文总结,这是一篇关于增强现实和逆向设计研究和智能手机方面的增强现实论文题目、论文提纲、增强现实论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文.
参考文献：
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