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无人机测绘、三维建模、3D打印……徐州这群高中生把一中“打印”出来了

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都市晨报2020-11-29 23:37

3D打印大家都听过

不过

你见过实物吗

最近

徐州一中的一群高三学子

利用无人机测绘、计算机建模、3D打印等技术

将原徐州一中九里分校校园内

标志性景物进行3D打印

为母校、校友和老师留下了珍贵的回忆

即将搬迁,“打印一中”留下美好回忆

今年2月,徐州一中九里分校将搬迁至新校区的消息传开后,高二年级(现为高三)的张乔楚同学坐不住了。对于已经生活了一年多的九里校区,学校里的一草一木都寄予了他无限的情感,让他恋恋不舍。

为给母校、校友留下宝贵资料,也给自己留下美好记忆,他和几个同学决定成立“打印一中”项目组。想通过打造一中建筑模型并进行销售,旨在塑造一中形象、宣扬一中文化,在为同学及校友呈现母校纪念品的同时,也为公益事业提供资金支持。

很快,“打印一中”项目组聚集了9位志同道合的同学,其中有的同学擅长无人机操控与拍摄,有的擅长计算机建模及修整,还有的同学负责3D打印、拍照并制作宣传视频……终于,历时3个多月,“打印一中”项目组终于完成了航测、计算机建模、选择打印材料和适当的美化包装并进行销售等一系列工作。

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航拍测绘:组装无人机,数学计算完成数据采集

杨竣斐和陆俊达两位同学擅长无人机操控与拍摄。在使用无人机对徐州一中夹河、九里两个校区的标志性建筑进行航空测绘时,发现学校许多建筑都有镂空、雕花等较复杂工艺,这给无人机的识别系统带来了较大挑战。发现市面上的无人机不能满足拍摄需求,张乔楚同学便自己购买零件,组装了一台六旋翼无人机。该无人机体积相对较大,载重能力强,可以搭载分辨率更高的相机。

在拍摄过程中,为了提高航测的效率,采用了工业上所称的“空中三角测量”方法,操控无人机对待测建筑物绕圆飞行,并每间隔2秒拍摄一张倾斜俯视照片。终于,成功拍摄出上万张图片,全方位、多角度地为三维建模提供充足的航测数据。

三维建模困难重重

航拍测绘终于完成了。但是要从上万张图片中挑选出有用的照片也是一件繁锁的工作。

负责建模的曾钰乔同学告诉记者,他们共花了三个晚上的时间,从上万中图片中挑选出1018张有用的图片,输入软件开始建模。“一开始,我们借助计算机软件进行三维模型自动创建工作,但因校园实测数据庞大,加工困难,模型渲染加工时失真,并且其精度也远不能达到要求,建筑的很多细节部分丢失,例如字迹、雕花等。”

后来,同学们认真总结交流之后,改变计划,使用三维建模软件手动重建模型,而原来计算机自动生成的模型,则成了他们后来手动建模的重要参考。

但是,让同学们意想不到的是,手动建模的过程非常困难。“工作刚开始就遇到了一个难题,生成扫描模型的原理有缺陷。正常情况下模型的每一个平面应由三个定位点来确定,而航拍精度限制,计算机生成了多个不共面的定位点,进而得到的是一个曲面,难以确定原本平面的确切位置。在深入思考后,吴奕君同学提出化面为线,再取平均的方法,确定了最终的平面。”曾钰乔同学表示。

智慧提速,体会到“数学在生活中的用处”

建模的工作量非常大,一开始完成一个模型,同学们需要花费20多个小时,在紧张的学习之余想要完成这个项目,还需要开动脑筋,节省时间。

我们想到的提速方法首先是编辑公式,智能复制。在九里教学楼的楼梯建模过程中,如果一级一级建模,不仅效率低,精确度也不够。又由于楼梯不是简单的重复,而是随着级数的升高,不断向内收缩,所以也不能简单复制。吴奕君同学用数学方法分析了楼梯的特点后,归纳出楼梯的各种参量随级数的表达式:h = n × Δh, r = r0 - n × Δr 。之后使用SolidWorks的变量列阵功能,以级数为自变量,楼梯的参数为因变量,即可快速完成了整个楼梯的建模。并且在后续的调整中,只需改变表达式中常数的值,就可以调整楼梯的尺寸了。”

我们想到的另一个方法是联网操作,集群部署。航测工作完成后,借助计算机软件进行三维模型重建工作。校门模型所需的数据量较小,几小时便完成了处理。但教学楼航测数据庞大,处理时间成指数倍增长,预计需要数天才能完成处理。同学们通过查询资料,发现可以计算机联网工作,这样可以大大缩短计算时间。于是我们尝试将几台高性能计算机集群部署,大大节省了时间,顺利完成计算工作。”吴奕君同学说。

3D打印,如何让细节突显

模型在交付打印时,又出现了意想不到的问题:模型建立的十分精确,但是3D打印机的精度却无法与之匹配,导致许多细节都打印不出来,样品上字迹模糊不清,许多雕花根本显示不出,作品失去了细节,光秃秃一片,也就失去了原有的神韵。

“当时,经协大家一起讨论,提出两种解决问题的方法。从3D打印机出发,采用精度更高的打印机。同时,抽象模型,放大细节,以达到可以清晰打印目的。”张乔楚同学说。

首先,同学们将普通3D打印机换成了光固化3D打印机,打印的材料也从PLA换成了SLA,这样的改变使得样本上部分细节得以体现,而且外观也更加平整光滑。但是,这样一来,成本大大的增加了,却还是有许多的细节无法呈现出来,所以还需要进一步的模型加工。

张乔楚说:“建筑模型不应该是对原建筑的简单缩小,而是保留模型的关键部分,展示建筑特点和风格,舍弃无用的细节。因此,我们讨论了3D打印模型样本中的一些细节,总结了3D打印机可以打出来的细节的最小尺寸,并将不足尺寸的细节放大。

比如,增加九里教学楼上的墙体文字,加深窗户的凹陷深度,将门口的11级楼梯换成5级等等。经过了这些调整之后,3D打印模型的效果得到了极大的提升。”

终于

一套8件套的“徐州一中”3D打印模型出炉了

项目组9位同学的努力也终于收获了结果

在江苏省第四届STEM教育大会上

他们的《打印一中》3D打印项目作品

赢得了专家的一致好评


徐报融媒记者 魏欣 摄影报道

编辑 薇薇 校对 珵智

责编 辛安然 总监 陈强

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