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三维模型范文1
关键词：三维激光扫描；点云数据；点云拼接；点云处理；三维建模
0引言
古建筑的保护和一些大型文化遗产的测量与修复一直是国内较为重大高端的关注热点，然而传统的卫星影像、航空摄影等测量方法所获取到的大型建筑的空间数据准确性并不高，其数据难以构建出精准的三维模型。三维激光扫描仪因其具有高精度、高密度、高效率、实施性强、信息量丰富等优点被广泛运用在变形监测、工程测量、地形测量、古建筑和文物保护、断面和体积测量等领域。三维激光扫描技术原理是利用激光测距仪理论对目标对象进行激光测量从而获得目标数据，此技术可以更真实地扫描目标对象的整体结构以及形态特性，快速准确地生成三维数据模型。研究至此可知，因三维激光扫描技术具有上述众多优点，使得其更加适合对细节特征丰富的大型建筑或者文化遗产展开提供三维数字化处理，由此达到的测量精度相对于传统方法也随即获得了较大的提升。
基于此，本文即研发给出了通过三维激光扫描技术，将获取到的目标对象的点云数据进行配准拼接、去噪简化等研究处理后，进而又利用点云数据来设计探讨、并最终实现对目标对象的三维模型构建的全过程。
1地面三维激光扫描技术原理
三维模型范文2
关键词：三维激光扫描仪 数字城市三维模型应用
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;
中图分类号：O343.2 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
“数字城市”是以信息技术为基础，以宽带网络为纽带，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类三维描述的系统。数字城市以地理空间框架为基准，集成城市自然、社会、经济、人文、环境等综合信息，基于网络基础设施实现城市信息的广泛共享。数字城市代表了城市信息化的发展方向，是推动整个国家信息化的重要手段。国家测绘局于2006年启动了“数字城市建设示范工程”项目，在全国选择若干具备条件的城市作为试点，开展数字城市地理空间框架建设，并在最近几年内在市、县两级逐渐推广。在数字城市地理空间框架中构建三维模型，有助于提高城市的综合管理水平，提升城市的形象，在城建、规划、旅游、国土、消防等众多领域发挥了积极作用。如何快速准确的获取构建三维模型所需要的空间几何数据，一直是困扰人们的一个问题，也是国内外研究的重点和热点之一。三维激光扫描仪的出现和在工程领域的广泛应用,在这个方面实现了较大的突破和改进。三维激光扫描仪能够快速准确的获得建筑物的高程和立面数据，对于构建精准的三维模型发挥了重要的作用。
1 三维激光扫描仪测量原理
三维激光扫描仪的工作过程是一个不断重复的数据采集和处理过程，它采用仪器坐标系下的三维空间点组成的点云图来表达对目标物体采样的结果。三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。通过测量扫描仪到目标点的距离值和激光束的水平方向值和竖直方向值计算激光脚点的三维坐标。同时，彩色CCD相机拍摄被测物体的彩色照片，记录物体的颜色信息，采用贴图技术将所摄取的物体的颜色信息匹配到各个被测点上，得到物体的彩色三维信息。
2 利用三维激光扫描仪构建三维模型的工作流程
利用三维激光扫描仪获取建筑物的空间几何数据，进行数字城市三维模型建设的工作流程主要包括：外业扫描、数据拼接、特征线提取、3D建模、格式转换几个部分。
2.1 外业扫描
首先根据扫描目标的位置、大小和复杂程度设计出各扫描站和控制标靶的位置，通常一个目标点需要多个测站才能完成。可以根据当地的GPS控制点的点位，通过全站仪进行测量定向，从而确定三维扫描仪扫描数据的坐标参考。一般采用连接点测量的方法进行扫描，连接点测量法具有高效和精确的特点，站与站的连接精度可达1毫米，适用于测量范围在300 米之内的区域。
外业测量过程中，待测对象和标靶是分开进行扫描和测量的。首选在一个测站位置上选定测量区域，指定测量距离与间距，进行自动扫描。然后选择测量标靶命令，照准标靶位置，记录点位。要保证三个标靶点位在下一测站中可见，从而保证可将扫描数据依次拼接。在扫描过程中，启用三维扫描仪的自动拍照功能，在形成点云数据的同时，采集到扫描目标的纹理照片。
2.2 数据拼接
将外业的扫描数据导入到电脑的Cyclone软件中，软件可自动识别点云、图像和标靶点，并分站放置在对应的目录树下。采用连接点拼接，只需依次选中对应的两站中的三个标靶点，软件系统可自动进行拼接。选择全部点云数据，合并到一个工作场景中。在此基础上进行删除噪声点、非测量区域点，并把导入的图像的颜色分别赋予对应的点云等处理。
2.3 特征线提取
为了方便特征线的提取，通常需要将建筑物的坐标改成正南正北状态。首先框选楼房正立面墙体上一块点云，将框内的点云拟合成mesh网格平面，在生成的mesh面片上任意选择一点，点取更改坐标命令，就可将建筑物纠正为正南正北方向。将点云数据统一化后导入到AutoCAD软件中，利用Cyclone软件的cloudworx插件打开点云数据，根据点云的形状，描绘出特征线。在提取特征线的过程中，为了避免背面的点云对描线产生影响，可以使用点云切片的功能。在描线的过程中还可以使用刷新点云的功能使点云的轮廓更加清晰。
图1 坐标纠正之前状态 图2坐标纠正之后状态
图3根据点云提取模型的特征线
2.4 3D建模
将特征线文件导入3DMAX软件中，作为底图或立面高程数据的参考，进行三维建模和纹理贴图工作。利用3DMAX软件的拉伸、挤出、旋转、变形等命令进行模型，将数码相机实地采集的纹理照片或三维扫描仪拍摄的照片修饰成贴图纹理，并将纹理指定给选定对象上，完成三维建模工作。构建模型时应遵循真实性、美观性、代表性三个原则。
图4 特征线导入到3DMAX中建模图5 建成的三维模型
2.5 格式转换
现在的数字城市地理空间框架建设多是以NEWMAP软件作为平台的。该软件对导入的三维模型的格式是有要求的。一般要求数据格式为*.x格式(DirectX的压缩格式) ，模型能用微软的Directx viewer工具打开，且不缺失纹理，模型的面应尽量少。模型中用到的纹理图片应为dds(DXT3)格式，纹理尺寸采用MIP MAP 模式 (即2的n次幂 ×2的m次幂)。所以要将3D模型通过转换工具转换成上述要求的标准格式，才能导入到数字城市地理空间框架平台中。
3 结束语
本文通过对利用三维激光扫描仪扫描构建三维模型方法的研究，分析了三维激光扫描仪的工作原理，探索了构建三维模型的基本的工作流程，初步试验表明了该方法可以应用于城市建筑物的三维建模，是构建数字城市三维模型的较为先进的技术手段。另外，庞大的点云数据，如何管理和处理海量数据，并保证数据在处理过程中精度不受损失是需要进一步解决的问题。获取的三维点云数据如何能够自动拟合形成实体模型或自动提取出特征线，是三维扫描仪在软件处理方面亟待解决的内容，也是下一步研究的重点和难点问题。
参考参考文献
[1]范海英，杨伦．三维激光扫描系统的工程应用研究[J]．矿山测量，2004，(3)．
[2]张立明．AutoCAD2002精彩创意实例讲解[M]．海洋出版社，2002年．
[3]范海英，李畅．Cyra三维激光扫描点云数据在AutoCAD中的处理方法研究[J]．辽宁科技学院学报，2007，(3)
[4]王彬华．AutoCAD2002中文版实例教程[M]．电子科技大学出版社，2002年文献
三维模型范文3
关键词：数字德令哈；三维模型；数据质量检查
引言
随着科技的不断进步，城市的信息化成为了必然的趋势，数字城市的不断完善已经成为城市发展的新契机，成为城市信息化建设的目标。数字三维城市已成为城市规划和管理中重要的手段。三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息，成为数字城市的研究重点。
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，也是海西东部经济区中心。作为青海省重要的工业城市，德令哈市在青海省经济发展中具有重要地位。随着德令哈市经济的迅猛发展，对城市规划和城市管理提出了更高的要求，政府部门对信息化建设有着迫切的需求，“数字德令哈”的建设为各部门信息化系统提供了一个统一的定位基础和信息共享平台，加快了城市信息化进程。
目前，有关数字三维模型的相关文件有《中华人民共和国测绘行业标准：三维地理信息模型生产规范CH/T 9016-2012》《中华人民共和国测绘行业标准： 三维地理信息模型数据产品规范CH＼T9015-2012》《中华人民共和国测绘行业标准：三维地理信息模型数据库规范CH＼T9017-2012》，这些标准对三维模型的制作进行了定义和要求，但对三维模型质量评定没有明确的要求， 也没有形成一套有效的质量检查方法与质量评价体系。
文章针对“数字德令哈”项目中已经产生的大量三维模型成果，参照《中华人民共和国测绘行业标准：三维地理信息模型生产规范 CH/T 9016-2012》《中华人民共和国测绘行业标准： 三维地理信息模型数据产品规范CH＼T9015-2012》标准的相关内容并结合工作中进行三维模型质量控制的实践， 探讨了如何对三维模型进行质量检查。
1 模型的生产流程
“数字德令哈”中三维模型数据的制作流程主要如图1所示。
1.1 矢量数据采集
立体采集使用MapMatrix全数字摄影测量工作站完成，模型定向采用空三自动恢复模型进行立体测图，采集道路、水系、屋顶、基础设施等数据。
1.2 纹理照片采集及处理
用符合要求的相机实地采集房屋、道路、植被、基础设施等要素的照片以及兴趣点。将采集的实地照片在Photoshop软件下处理成纹理数据。
1.3 建筑模型制作情况
利用立体量测的方式，将建筑物屋顶结构全部表示出来，再将该结构结合地面dem，提取成立体模型。后期贴图时参照外业实拍的照片形状进行核实、修改，将处理好的纹理数据赋在建筑面上，保证模型与实际相符。
1.4 道路模型制作情况
人行道、行车路面按照大比例尺地形图精确制作；地形图上未表示的较窄的道路按航片或照片制作；全区域范围内同材质路面使用了同一纹理表示；跨河桥梁等全部按照实际建模。
1.5 植被模型制作情况
城市中植被种类繁多，数量巨大，因此植被利用十字交叉面片双面贴图的方式进行建模。
1.6 基础设施模型制作情况
交通信号灯、路牌、路标、交通指示标志牌等按实际形状建模，按实际位置表示，方向指示正确；道路中间、两侧的栅栏及栅栏两头的圆柱形墩子按实际表示，使用透明纹理表现。包围绿地或隔离带的围栏按实际建模，并使用透明纹理表现；道路附属设施上作为设施主体的广告牌按实际照片制作纹理贴图。
2 质量控制内容
三维模型数据是“数字德令哈”地理空间框架中的重要内容。
2.1 质量检查内容
2.1.1数据命名、格式的检查：包括模型的命名，纹理的命名，纹理尺寸和格式的正确性。
2.1.2 空间数据的检查：包括平面位置精度、高程精度和坐标精度。平面位置精度主要检查与地形图中基底轮廓线的套合情况；高程精度主要检查模型与实际高度是否一致；坐标精度检查是否符合项目设计书中的坐标系统要求。
2.1.3 场景中模型的检查：（1）检查模型结构是否完整、正确；模型有无缺漏、穿插；有无多余面或丢失面。（2）检查纹理是否与实地相符；纹理是否清晰，有无扭曲、变形、炫光等；纹理间衔接是否合理。（3）平台场景中检查地形模型、建筑模型、道路模型、植被模型、基础设施模型以及各类型模型之间相互位置关系。（4）附件的质量控制主要指文档的完整性。
2.2 检查平台
德令哈市的三维模型是使用3ds max软件进行原始模型的制作、光照烘培效果和格式转换的，利用Photoshop软件进行纹理处理，利用City Maker Building平台进行大场景整合。所以质检人员也是在上述软件下进行检查。
3 检查方法
3.1 原始模型数据检查
3.1.1 平面检查
对于制作好的模型，首先检查模型的平面坐标，将德令哈1：500的CAD图导入3ds max软件作为依据，在顶视图中检查建筑的基地边线是否与CAD数据套合，对于复杂结构的建筑应多角度进行检查。
3.1.2 模型检查
坐标检查完后要检查模型文件中存在空物体，打开摘要信息命令（Summary info）检查文件中物体数量、面片数量等信息，查找到统计数据中点与线都为0的模型即为空物体，记录后需在max场景中删除。接下来打开模型列表，检查模型的命名是否与设计方案一致，如有问题需要记录，若没有就可进行下一步检查。“数字德令哈”项目设计要求模型需100%检查，所以检查时是按照模型的名称进行顺序检查，主要检查模型结构与实地是否一致，是否符合设计方案的精度要求，贴图是否完整；整个max场景中模型是否有重叠、穿插、漏缝等情况；最后需检查模型轴心位置。如检查有上述问题需记录后返还给作业人员进行修改。
3.1.3 纹理检查
模型的纹理首先需在photoshop软件中打开后检查纹理的命名与格式是否符合软件要求，尺寸是否是2的N次幂，并小于2048像素；其次需要检查场景中纹理图像的清晰度与真实度，交界面纹理应合理衔接，保证所有的模型纹理必须赋予UV，利用反转法线制作的两个透明面要避免闪烁，制作的透明贴图不能出现明显的白边。如检查有上述问题需记录后返还给作业人员进行修改。
3.2 平台数据检查
原始模型检查修改完成后，将模型转换成City Maker平台所需的.Osg格式数据，在平台中整合好的数据还需检查建筑模型、地面模型、道路模型、植物模型、基础设施模型之间的相互关系，检查各类模型底面与地面的衔接是否在设计书要求精度范围内，检查各类模型互相之间衔接是否合理。
4 结束语
随着数字城市的不断发展建设，我省的数字项目会越来越多，对三维模型的需求也会越来越大，但目前对三维模型的质量检查还没确切的标准，影响三维模型质量的因素很多，不同的项目需求对三维模型的质量起着决定的作用。文章通过“数字德令哈”项目对三维模型的质量检查设定了一套方法与流程，希望可以对其他数字城市项目中三维模型的质量检查提供一些参考。
参考文献
三维模型范文4
关键词：地下水 三维渗流模型 深基坑
前言
长江流域，特别在中下游的三角洲区域，下伏着较厚的松散沉积层，一般上部为粘性土，下部为砂性土，砂性土上细下粗，呈典型的二元结构特征，其中发育较厚的孔隙承压水层，承压水水头压力较高，含水层埋深较浅，各层含水层之间存在水力联系，形成一个较为复杂的地下水系统。在这类区域的深大基坑开挖过程中，会面临承压水突涌问题，减压降水保证基坑开挖安全是一项极为重要的工作。
本文以南京某基坑工程为例，论述基坑降水三维渗流模型建立的理论，建立本工程的三维渗流模型，模拟预测本工程开挖降水期间的渗流场变化特征。
1、工程概况
本工程紧邻地铁线，地铁区间隧道与本基坑地下室最近距离不足10m，基坑开挖面积约36400 ，最深开挖约26.4m。
基坑下伏地层主要为：①1杂填土、②粘土、③淤泥质粉质粘土、④1粉细砂、④2中细砂、④2a粉质粘土（呈透镜体分布）、④3含砾中细砂及⑤层强风化~微风化砂质泥岩层。
潜水主要赋存于①填土中，初始水位埋深约1.0m，弱承压含水层由④1粉细砂、④2中细砂及④3含砾中细砂复合而成。复合弱承压含水层厚度近50m，富水性好，透水性强，水量丰富，补给源为长江，承压水顶埋深约15~19m，承压水初始水头约3.0m。
2、三维渗流数学模型
地下水流和土体是由固体、液体、气体三相体组成的空间三维系统，土体可以模型化为多孔介质。因此求解地下水问题就可以简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题，可以用下述地下水渗流连续性方程及其定解条件来描述地下水的三维非稳定渗流规律。
根据与本场地相适应的水文地质条件，可建立下列与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型：
（1）
式中：
S为储水系数；Sy 为给水度；M为承压含水层单元体厚度(m)；B为潜水含水层单元体地下水饱和厚度(m)。Kxx,kyy,kzz分别为各向异性主方向渗透系数(m/d)；h为点(x,y,z)在t时刻的水头值(m)； W为源汇项(l/d)；h0为计算域初始水头值(m)；h1为第一类边界的水头值(m)；Ss为储水率 (l/m)；t为时间(d)；Ω为计算域；Г1为第一类边界。
对整个渗流区进行离散后，采用有限差分法将上述数学模型进行离散，就可得到数值模型，以此为基础编制计算程序，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布。
3、概念模型的建立
地下水渗流系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水运动符合达西定律；考虑浅、深层之间的流量交换以及渗流特点，地下水运动可概化成空间三维流；地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好地解决越流问题；地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性，所以参数概化成水平向各向同性。
根据本工程的工程地质条件及水文地质条件，考虑到降水过程中，上覆潜水含水层将与下伏承压含水层组之间将发生一定的水力联系，因此，将上覆潜水含水层、弱透水层以及下伏弱承压含水层组一起纳入模型参与计算，并将其概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。
为了克服由于边界的不确定性给计算结果带来随意性，定水头边界应远离源、汇项。通过试算，本次计算以整个基坑的东、西、南、北最远边界点为起点，各向外扩展约1000m，四周均按定水头边界处理。地下水在降水过程中，坑内地下水位大幅度下降，地下水流态为三维非稳定流，基坑内地下水的降压井是唯一的源、汇项。
图1 模型剖分图
三维模型在深度方向分为7个物理层，共剖分为83853个网格。模拟现场工况，开启J1、J2、J3、J4、J5、J6及G1等7口井抽水持续10天，抽水停止后，经历了7天的水位恢复期。在持续抽水及水位恢复的过程中，对G1、G2、G3、G4、G5及G6等观测井分别进行的水位变化的跟踪监测。在模型中，将整个计算过程分为5个应力期，每个应力期细分为10个步长，对观测井的数据进行拟合，并反演出含水层水文地质参数，拟合的水位误差在8%以内。反演出的水文地质参数见表1。
图2 抽水井及观测井平面布置示意图
表1 模型参数
图 3 观测井水位与时间关系的实测与拟合曲线对比图
通过三维模型的拟合，各观测井点的数值模拟水头变化和实测水头变化规律一致，实测值与拟合值两者的偏差很小，满足工程精度要求。
模型计算出的抽水10天后的水位埋深图见图：
图4 抽水10天后场地水位埋深等值线图（单位：m）
水位变化与实际抽水试验水位变化相符，说明反演参数能够代表本场区的水文地质特征。
4、确定降水方案
经过对该工程的水位变化的拟合、反演等过程，最终确定了符合本工程的三维渗流模型，结合本工程的开挖深度及围护结构等条件，在本工程基坑内布置63口降水井，根据坑内裙房及塔楼不同的开挖深度及减压幅度的需要，设置井深32.5~42.5m，单井出水量平均取值约10m3/h ,降压井运行10天后，可以降水承压水水位降低到约-27m左右，该模型预测的承压含水层水位等值线如下图所示。
图5 抽水后场地承压含水层水位埋深等值线图（单位：m）
5、结论
运用有限差分法建立符合工程实况的三维渗流模型，能有效的模拟并反演渗流场的特征，为深大基坑开挖降水设计提供了依据及保障。
参考文献：
[1]骆祖江、李朗、姚天强 、罗建军. 松散承压含水层地区深基坑降水三维渗流与地面沉降耦合模型[J].岩土工程学报，2006（11）.
三维模型范文5
【关键词】骨骼；逆向工程；三维重建；医学影像
【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世纪80年代以来，以计算机技术为核心的数字化技术飞速发展，相应的促进了医学影像工程技术和逆向工程技术的发展，也为逆向工程技术应用于医学领域奠定了技术基础。90年代以后，逆向工程技术的医学应用逐步发展，得到了人们的普遍关注并获得了越来越广泛的应用。
逆向工程技术（Reverse Engineering，简称RE）是指将实物转换为CAD模型的相关数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称[1]。在本文中狭义的将其定义为从相关模型的数字信息的获取、数字信息的处理到CAD模型形成这一过程中涉及的技术过程。
1 软件介绍
Mimics是Materialise公司开发的交互式医学图像控制系统的简称，是对医学CT和MRI图像进行三维重建的专业软件。该软件能输入各种扫描的数据（CT、MRI），建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD（计算机辅助设计）、FEA（有限元分析），RP（快速成型）格式，是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件[2]；Geomagic是美国Raindrop公司的推出的逆向工程软件，是成熟的逆向工程软件之一。利用Geomagic可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。Imageware是著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、家具、模具及通用的机械行业。UG是功能强大的三维设计软件，是当前世界上最先进的、紧密集成的、面向制造行业的CAD/CAE/CAM高端软件。
2 人体骨骼模型重建方案
在逆向工程中，实体的三维模型重建是整个过程中最关键、最复杂的环节。在实际应用中，通常根据不同的数据来源和应用目的，选用不同的方法，本文尝试提出以下两种方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。
2.1 基于CT/ MRI图像的三维模型重构
2.1.1 重构方案
该方案是以感兴趣的人体骨骼的CT/ MRI图像为数据源的模型重建方案。技术路线如图1所示，首先对人体骨骼进行CT/核磁扫描，获取用于三维模型重建的CT/MRI图像并以DICOM格式存储，然后输入到Mimics软件中。为了确保图像质量，先要对图像进行预处理，然后进行图像分割和边缘的提取与处理，将软组织与骨骼组织进行分离，得到所需组织区域。再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域通过区域生长功能扩展到其他剩余层。最后通过Calculate 3D工具由mask计算所需组织的三维模型。为了得到较好的模型效果，需要对所建好的模型进行后期处理，如光顺（Smoothing）、重新网格划分（Remesh）等。重构的三维模型，可以以STL格式输出文件，然后将文件输入快速成型机，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。
因为STL格式是以三角面片来表示模型的，不是传统意义上的CAD模型，不能对模型进行任意的修改。在将重构的组织模型用于假体设计及有限元分析等方面时，可以将得到的组织模型以图形数据文件交换的一种标准格式，IGES格式，将模型输出，得到模型的点云数据。然后利用逆向工程原理，进行三维重构，得到所需组织的CAD模型。
2.1.2 重建案例
使用CT扫描机，采集了人体头部CT数据，如图2a）所示。得到DIMCOM格式的颅骨扫描后的数据，运用Mimics软件读入计算机中，得到包括软组织和骨组织在内的各具灰度特性的不同区域。在Mimics中进行颅骨重建主要通过数据预处理-区域分割-边缘提取与处理-区域增长这样的过程最终得到颅骨骨骼区域，最后将选定区域生成STL模型。
CT图像是灰度图像，每一点的灰度值反映了该处的密度[4]。骨骼的CT值因人而异，一般范围为300-1500。通过人工干预，选择合适的分割阈值，将骨骼和软组织进行分割，如图2b），然后进行边缘提取及处理，对不需要的区域进行删除。对于已经确定某一个层面的骨骼区域，通过区域生长功能可以方便的扩展到其他剩余层。最终提取出骨骼部分区域。通过区域生长完成的三维轮廓由于影像的误差和分割的误差，通常仍旧会包含一些不需要的结构部位，必须通过编辑处理手段把它们删除。然后可经过反复验证达到完善。在确认无误的情况下，该三维模型可以以STL 文件格式输出，生成STL模型，如同2c）所示。导入到快速成型设备中，用以制作快速成型件；或在输出模块中以IGES文件或DXF文件格式导出，用以进一步的计算机辅助设计或有限元分析，为从力学角度进一步研究做前期准备工作。
2.2 基于人体骨骼标本、模型的三维模型重构
2.2.1 重构方案
在实际研究中，有些人体组织不适于通过CT/MRI扫描得到，但现实有组织标本或模型，这时可以利用逆向工程的数字化仪器，对标本或模型进行扫描，得到点云数据，然后利用点云数据进行逆向重构。
重构时可以有两种方法选择：一是将IGES格式的点云数据导入Geomagic软件中，利用该软件的相应功能来完成从点云数据到多边型模型和网格模型的构造，最后自动转换为NURBS曲面模型。生成曲面模型后，仍然以IGES格式将模型导出，然后导入UG软件，通过曲面缝合、加厚等功能生成实体模型。
另一种方法是将点云数据导入Imageware中，通过点云构造必要的特征曲线或曲面，然后导入UG中，通过线构造面的相关命令进行曲面建模，再利用构造实体的命令完成实体建模，最后得到实体的CAD模型。
在这两种方法之中，选择哪一种方法可视要构造模型的特点及使用者对软件的掌握程度来做选择。这一方案完成的实体模型，可以以IGES格式输出后，输入Ansys中进行有限元分析，也可为利用ADAMS动力学软件进行运动与力学分析，还可在此模型的基础上进行假体设计，当然也可以将模型输出成STL格式，进行快速成型制作，还可以利用其他加工方法（如数控加工）进行实物模型的制作。
2.2.2 重建案例[5]
针对人体组织标本、模型的三维模型重构方案，以人体的下颌第一磨牙模型作为模拟对象，对其进行三维模型重建研究。
使用ATOS光学扫描系统将磨牙的模型进行扫描，获得原始点云数据。通过ATOS扫描软件对点云进行去除噪声点、对齐、三角化、补洞、光顺等数据预处理，然后以IGES格式导入Geomagic软件中。在Geomagic中，先对点云进行进一步优化处理：如去除杂点、光顺、优化点云的横向点距、纵向点距等。然后通过wrap命令得到三角片表示的磨牙，如图4a）所示。同时进入Polgon阶段，进行基于三角片的曲面模型处理，通过对三角片的自相交、重叠、法向错误等问题进行处理后获得比较规整的曲面模型，然后进入成形阶段（Shape Phase），在对曲面分析的基础上进行曲面片的合理划分，对划分好的曲面片进行网格构造（Construct Grid），在网格的基础上拟合成NURBS曲面（Fit Surfaces），如图4b）所示。在Geomagic中得到NURBS曲面模型后，将文件以IGES格式导出，然后导入UG中，通过曲面缝合，得到三维实体，如图4c）所示。可以对其各部位进行更进一步的分析研究，为进行牙体的生物力学研究和修复体优化设计提供生物力学基础，以提供临床治疗与实验研究的理论依据和参考。
3 结束语
根据不同的数据来源和应用目的，本文尝试提出了两种不同方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。完整地回顾了重构的整个过程：从CT/ MRI图像到STL模型，从点云数据的预处理到三维实体模型的生成。但是在不同的实际情况下，要求不同，需要实现的细节也不同，因此应根据实际情况的不同要求，采用合适的处理方法。
【参考文献】
[1]金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2]罗东礼，等.医学图像三维重建中的关键算法[J].计算机工程与应用，2005，19：219-221.
[3]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
三维模型范文6
关键词：TBM；管片；有限元法
1 引言
TBM是Tunnel Boring Machine的缩写，即全断面隧洞掘进机，起始于20世纪70年代。TBM隧洞一般采用管片衬砌作为永久支护结构，管片设计和施工质量直接关系到工程的成败。由于管片结构受力比较复杂，国内外学者在研究管片的受力和变形方面作了许多有意义的工作[1]。
2 管片变形计算的三维有限元实体模型
2.1 材料本构模型的选择
围岩与管片都是弹塑性材料，由于管片的安全在整个施工期和运行期间的重要性，设计时考虑偏安全的情况：围岩与管片均处于弹性状态，不考虑塑性。故本文使用线弹性模型对围岩和管片进行模拟。
对于混凝土结构的模拟，ANSYS开发了专门用于抗压强度远大于抗拉强度的非均匀材料的Solid65单元，可以模拟混凝土中的加强钢筋。Solid65单元中的钢筋采用实常数的方法进行添加，钢筋的尺寸由与混凝土的体积比确定，将钢筋弥散于整个单元中，视加筋混凝土为连续均匀材料，求出一个统一的刚度矩阵。
2.2 管片与管片间接缝的模拟
TBM隧洞衬砌结构通常属管片-接头构造体系，其在隧洞横断面上为若干管片通过螺栓联结成管片环（输水隧洞也有无螺栓连接），呈通缝或错缝拼装而成。在TBM法隧洞装配式管片受力设计过程中，由于管片之间存在接缝，使得管片接头处的模拟变得极其复杂[2]。
本文采用三维有限元算法，按照各管片的实际构造型式建立三维有限元模型；在对管片接头相互作用进行模拟时，引进ANSYS有限元程序中接触模型和库仑摩擦模型。在模拟管片之间的相互接触时，认为管片之间依赖摩擦作用抑制相互之间的滑动，通过库仑摩擦模型模拟衬砌管片之间的相互摩擦约束。
2.3 螺栓的模拟
螺栓的联结和抗拉作用采用Link10单元来模拟。Link10单元是只能承受拉力（或者承受压力）的杆单元，当启动只拉不压这个功能时适用于模拟螺栓的抗拉作用。
在设置单元实常数时，设置link10单元的初始应变（initial strain）为预紧力引起的螺杆应变，即可模拟螺栓的预紧力。
3 工程算例与分析
3.1 工程概况
某工程是一项大型跨流域调水工程，出口段采用TBM施工19.94km，开挖直径为5.93m。TBM施工段采用预制钢筋混凝土管片衬砌，管片外径5.7m，内径5.0m，宽1.5m。管片采用错缝拼装，错缝角度为36？。管片与围岩之间的空隙用豆砾石充填并进行豆砾石回填灌浆。
引水隧洞穿越的地质主要为：泥岩夹砂岩、破碎花岗片麻岩、石英岩、石英片麻岩、角闪石英片岩、花岗片麻岩等。岩石强度变化大，最小饱和抗压强度为5MPa，最大饱和抗压强度为160MPa。隧洞中存在断层及破碎影响带、高压富水地段、煤气瓦斯地层、高地应力、硬岩岩爆、软岩塑性变形等不良地质。
3.2 计算模型
根据工程经验及弹性力学计算分析，隧洞的开挖对围岩应力的影响只有洞径的3倍，因此，在覆盖层较厚的洞室围岩应力计算时，仅取出隧洞及隧洞周围3倍洞径的围岩进行三维有限元分析计算，隧洞位于计算模型中部，其余以边界约束或外部压力代替，考虑到轴线方向衬砌管片布置的间隔对称性，轴线方向计算长度取3倍管片的宽度。隧洞开挖直径是5.93m，管片宽度是1.5m，故模型的范围为35.6m×35.6m×4.5m。边界约束条件为：上部边界和左边界为自由边界，右边界为水平位移为零的约束边界（水平链杆），下边界为垂直位移为零的约束边界（垂直链杆）。
管片混凝土标号为C40，厚度为0.35m，宽度为1.5m。管片衬砌的有限元模型应尽量接近于实际设计形态及布置，以获得更加可靠的数据，更好地为工程设计服务。
因TBM掘进过程在土体中的超挖和豆砾石填充不满，在管片与周围土体之间出现间隙。管片外的间隙一般为向下的月牙形，考虑到间隙将被落土充填，故将豆砾石灌浆层混凝土标号降为C25，用以模拟充填不密实的影响。
3.3 计算成果及分析
考虑不同侧压力系数，埋深为600m的管片的受力和变形情况，绘于图3.1～图3.2，不同侧压力系数不同埋深的管片衬砌的最大位移和应力列于表3.3。
计算结果表明：
（1）当侧压力系数？姿1时，水平方向的力起主导作用，因而位移最大值出现在管片的两侧。
（2） 当侧压力系数？姿1时，最大压应力出现在管片两侧的内侧，不出现拉应力，随着侧压力系数？姿的增大，最大主应力和最小主应力都增大，当埋深达到一定深度时，最大主应力（压应力）超过C40混凝土的设计抗压强度，管片衬砌混凝土主要表现为受压破坏。
（3） 在管片接头处均产生应力集中。当侧压力系数？姿1时，顶部和底部的应力集中较两侧严重。
结束语
本文采用实体有限元模型，用接触单元和库仑摩擦单元模拟衬砌管片与管片之间的接缝，通过降低混凝土标号的方法来模拟豆砾石的充填不密实的影响，用link10单元来模拟螺栓的抗拉作用，分析完整围岩条件下管片的受力与变形特征，是在该领域的一个有益尝试，对今后开展的理论与工程设计的研究也有重要的参考价值。
参考文献
