1逆向工程關(guān)鍵技術(shù)

1、1.3逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)1.3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)目前，用來(lái)采集物體表面數(shù)據(jù)的測(cè)量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。測(cè)量方法的選用是逆向工程中一個(gè)非常重要的問題。不同的測(cè)量方式，不但決定了測(cè)量本身的精度、速度和經(jīng)濟(jì)性，還造成測(cè)量數(shù)據(jù)類型及后續(xù)處理方式的不同。根據(jù)測(cè)量探頭是否和零件表面接觸，逆向工程中物體表面數(shù)字化三維數(shù)據(jù)的采集方法基本上可以分為接觸式(Contact)和非接觸式(Non-contact)兩種。接觸式包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CoordinateMeasuringMachining,CMM和關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)；而非接觸式主要有基于光學(xué)的激光三角法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法以及基于聲

2、波、磁學(xué)的方法等。這些方法都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，具體選用何種測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體的形體特征和應(yīng)用目的來(lái)決定。目前，還沒有找到一種完全使用于工業(yè)設(shè)計(jì)逆向測(cè)量方法。各種數(shù)據(jù)采集方法分類如圖1.3所示。在接觸式測(cè)量方法中，CMMI應(yīng)用最為廣泛的一種測(cè)量設(shè)備；CMMS常是基于力-變形原理，通過接觸式探頭沿樣件表面移動(dòng)并與表面接觸時(shí)發(fā)生變形，檢測(cè)出接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，按采樣方式又可分為單點(diǎn)觸發(fā)式和連續(xù)掃描式兩種。CMM對(duì)被測(cè)物體的材質(zhì)和色澤沒有特殊要求，可達(dá)到很高的測(cè)量精度(土0.5m,對(duì)物體邊界和特征點(diǎn)的測(cè)量相對(duì)精確，對(duì)于沒有復(fù)雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸多、只有少量特征曲面的規(guī)則零件反

3、求特別有效。主要缺點(diǎn)是效率低，測(cè)量過程過分依賴于測(cè)量者的經(jīng)驗(yàn)，特別是對(duì)于幾何模型未知的復(fù)雜產(chǎn)品，難以確定最優(yōu)的采樣策略與路徑。圖1.3逆向工程數(shù)據(jù)采集方法分類隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CM他由以前的機(jī)械式發(fā)展為目前的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC型的高級(jí)階段。目前，智能化是CMMg展的方向。智能測(cè)量機(jī)的研究是利用計(jì)算機(jī)內(nèi)的知識(shí)庫(kù)與決策庫(kù)確定測(cè)量策略，其關(guān)鍵技術(shù)包括零件位置的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、測(cè)量決策智能化和測(cè)量路徑規(guī)劃、CAD/CAMI成技術(shù)等。隨著快速測(cè)量的需求及光電技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)圖像處理為主要手段的非接觸式測(cè)量技術(shù)得到飛速發(fā)展，該方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，將一定的物

4、理模擬量通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。一般常用的非接觸式測(cè)量方法分為被動(dòng)視覺和主動(dòng)視覺兩大類。被動(dòng)式方法中無(wú)特殊光源，只能接收物體表面的反射信息，因而設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，可用于戶外和遠(yuǎn)距離觀察中，特別適用于由于環(huán)境限制不能使用特殊照明裝置的應(yīng)用場(chǎng)合，但算法較復(fù)雜；主動(dòng)方法使用一個(gè)專門的光源裝置來(lái)提供目標(biāo)周圍的照明，通過發(fā)光裝置的控制，使系統(tǒng)獲得更多的有用信息，降低問題難度。被動(dòng)式非接觸測(cè)量的理論基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)視覺中的三維視覺重建。根據(jù)可利用的視覺信息，被動(dòng)視覺方法包括由明暗恢復(fù)形狀（ShapeFromShading,SFS、由紋理恢復(fù)形狀、光度立體法、立體視覺和由遮擋輪廓恢復(fù)形狀

5、等，其中在工程中應(yīng)用較多的是后兩種方法。立體視覺又稱為雙目視覺或機(jī)器視覺，其基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取不同視角下的感知圖像，通過三角測(cè)量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差（即視差）來(lái)獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。雙目立體視覺的原理如圖1.4所示，其中P是空間中任意一點(diǎn)，C、。是兩個(gè)攝像機(jī)的焦點(diǎn)，類似于人的雙眼，Pi、R是P點(diǎn)在兩個(gè)成像面上的像點(diǎn)?？臻g點(diǎn)P、C、C2形成一個(gè)三角形，且連線CP與像平面交于Pi點(diǎn)，連線GP與像平面交于P2點(diǎn)。因此，若已知像點(diǎn)Pi、p2,則連線CiPi和GB必交于空間點(diǎn)P,這種確定空間點(diǎn)坐標(biāo)的方法稱為三角測(cè)量原理。一個(gè)

6、完整的立體視覺系統(tǒng)通常由圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、立體匹配、深度確定和內(nèi)插6部分組成。由于它直接模擬了人類視覺的功能，可以在多種條件下靈活地測(cè)量物體的立體信息；而且通過采用高精度的邊緣提取技術(shù)，可以獲得較高的空間地位精度（相對(duì)誤差為1%2%,因此在計(jì)算機(jī)被動(dòng)測(cè)距中得到廣泛應(yīng)用。但立體匹配始終是立體視覺中最重要的也是最困難的問題，其有效性有賴于三個(gè)問題的解決，即選擇正確的匹配特征，特征間的本質(zhì)屬性及建立能正確匹配所選特征的穩(wěn)定算法。雖然已提出了大量各具特色的匹配算法，但場(chǎng)景中光照、物體的幾何形狀與物理性質(zhì)、攝像機(jī)特性、噪聲干擾和畸變等諸多因素影響，至今仍未有很好地解決。利用圖像平面上將物體

7、與背影分割開來(lái)的遮擋輪廓信息來(lái)重構(gòu)表面，稱為遮擋輪廓恢復(fù)形狀，其原理如圖1.5中所示。將視點(diǎn)與物體的遮擋輪廓線相連，即可構(gòu)成一個(gè)視錐體。當(dāng)從不同的視點(diǎn)觀察時(shí)，就會(huì)形成多個(gè)視錐體，物體一定位于這些視錐體的共同交集內(nèi)。因此，通過體相交法，將各個(gè)視錐體相交便得到了物體的三維模型。圖1.5體相交法原理遮擋輪廓恢復(fù)形狀方法通常由相機(jī)標(biāo)定、遮擋輪廓提取以及物體與輪廓間的投影相交三個(gè)步驟完成，而且遮擋輪廓恢復(fù)形狀方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)僅涉及基本的矩陣運(yùn)算，因此具有運(yùn)算速度快、計(jì)算過程穩(wěn)定、可獲得物體表面致密點(diǎn)集的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是精度較低，難以達(dá)到工程實(shí)用的要求，目前多用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)模型、網(wǎng)上展示等場(chǎng)合，而且該方

8、法無(wú)法應(yīng)用于某些具有凹陷表面的物體。如美國(guó)Immersion公司開發(fā)了Lightscribe系統(tǒng)，該系統(tǒng)由攝像頭、背景屏幕、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及軟件系統(tǒng)組成。首先對(duì)放置在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的物體進(jìn)行攝像，將攝得的圖像輸入軟件后利用體相交技術(shù)可自動(dòng)生成物體的三維模型，但對(duì)于物體表面的一些局部細(xì)節(jié)和凹陷區(qū)域，該系統(tǒng)還需要結(jié)合主動(dòng)式的激光掃描進(jìn)行細(xì)化。隨著主動(dòng)測(cè)距手段的日趨成熟，在條件允許的情況下，工程應(yīng)用更多使用的是主動(dòng)視覺方法。主動(dòng)視覺是指測(cè)量系統(tǒng)向被測(cè)物體投射出特殊的結(jié)構(gòu)光，通過掃描、編碼或調(diào)制，結(jié)合立體視覺技術(shù)來(lái)獲得被測(cè)物體的三維信息。對(duì)于平坦的、無(wú)明顯灰度、紋理或形狀變化的表面區(qū)域，用結(jié)構(gòu)光可形成明亮的

9、條紋，作為一種“人工特征”施加到物體表面，從而方便圖像的分析和處理。根據(jù)不同的原理，應(yīng)用較為成熟的主動(dòng)視覺方法又可分為激光三角法和投影柵法兩類。激光三角法是目前最成熟，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種主動(dòng)式方法。激光掃描的原理如圖1.6所示。由激光發(fā)出的光束，經(jīng)過一組改變方向的反射鏡組成的掃描裝置變向后，投射到被測(cè)物體上。攝像機(jī)固定在某個(gè)視點(diǎn)上觀察物體表面的漫射點(diǎn)，圖中激光束的方向角a和攝像機(jī)與反射鏡間的基線位置是已知的，B可由焦距f和成像點(diǎn)的位置確定。因此，根據(jù)光源、物體表面反射點(diǎn)及攝像機(jī)成像點(diǎn)之間的三角關(guān)系，可以計(jì)算出表面反射點(diǎn)的三維坐標(biāo)。激光三角法的原理與立體視覺在本質(zhì)上是一樣的，不同之處是將立

10、體視覺方法中的一個(gè)“眼睛”置換為光源，而且在物體空間中通過點(diǎn)、線或柵格形式的特定光源來(lái)標(biāo)記特定的點(diǎn)，可以避免立體視覺中對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的問題。激光三角法具有測(cè)量速度快，而且可達(dá)到較高的精度（土0.05mm）等優(yōu)點(diǎn)，但存在的主要問題是對(duì)被測(cè)物體表面的粗糙度、漫反射率和傾角過于敏感，存在在主動(dòng)式方法中，除了激光以外，也可以采用光柵或白光源投影。投影光柵發(fā)的基本思想是把光柵投影到被測(cè)物體表面上，受到被測(cè)物體表面高度的調(diào)制，光柵投影線發(fā)生變形，變形光柵攜帶了物體表面的三維信息，通過解調(diào)變形的光柵影線，從而得到被測(cè)表面的高度信息，其原理如圖1.7中所示。入射光線P照射到參考平面上的A點(diǎn)，放上被測(cè)物體后，P照射

11、到物體上的B點(diǎn)，此時(shí)從圖示方向觀察，A點(diǎn)就移動(dòng)到新的位置C點(diǎn)，距離AC就攜帶了物體表面的高度信息Z=h(x,y),即高度受到了表面形狀的調(diào)制。按照不同的解調(diào)原理，就形成了諸如莫爾條紋法、傅里葉變換輪廓法和相位測(cè)量法等多種投影光柵的方法。圖1.7投影光柵法原理圖投影光柵法的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍大、速度快、成本低、且精度較高(±0.04mm)；缺點(diǎn)是只能測(cè)量表面起伏不大較平坦的物體，對(duì)于表面變化劇烈的物體，在陡峭處往往會(huì)發(fā)生相位突變，使測(cè)量精度大大降低?？偟膩?lái)說，精度與速度是數(shù)字化方法最基本的指標(biāo)。數(shù)字化方法的精度決定了CAD真型的精度及反求的質(zhì)量，測(cè)量速度也在很大程度上影響著反求過程的快

12、慢。目前，常用的各種方法在這兩方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，且有一定的適用范圍，所以在應(yīng)用是應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體的特點(diǎn)及對(duì)測(cè)量精度的要求來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法。在接觸式測(cè)量方法中，CM應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)量設(shè)備；而在非接觸式測(cè)量方法中，結(jié)構(gòu)光法被認(rèn)為是目前最成熟的三維形狀測(cè)量方法，在工業(yè)界廣泛應(yīng)用，德國(guó)GO松司研發(fā)的ATOSM量系統(tǒng)及Steinbicher公司的COME測(cè)量系統(tǒng)都是這種方法的典型代表。表1.1對(duì)CMMf激光掃描數(shù)字化測(cè)量方法進(jìn)行了全面比較，從表中可以清楚的看出，每一種測(cè)量方法都有其優(yōu)勢(shì)與不足，在實(shí)際測(cè)量中，兩種測(cè)量技術(shù)的結(jié)合將能夠?yàn)槟嫦蚬こ處?lái)很好的彈性，有助于逆向工程的進(jìn)行。表1.1三坐標(biāo)測(cè)量和激光

13、掃描測(cè)量?jī)?yōu)缺點(diǎn)比較三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)采集激活掃描測(cè)量數(shù)據(jù)采集優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集精度局；可使用的技術(shù)廣泛；具備在f遮擋場(chǎng)合進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的能力；收集的離散點(diǎn)集CADt件處理容易；不會(huì)破壞數(shù)字化對(duì)象數(shù)字化速度快，整個(gè)測(cè)量過程時(shí)間短；收集的數(shù)據(jù)密度大，有助于改善建模的可視化和細(xì)節(jié)分析無(wú)須過多的數(shù)據(jù)收集預(yù)先規(guī)劃；不破壞數(shù)字化對(duì)象；可以對(duì)柔軟或易碎對(duì)象進(jìn)行測(cè)量缺點(diǎn)測(cè)量過程周期長(zhǎng)，探頭半徑補(bǔ)償繁瑣；不能對(duì)物體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)測(cè)量；對(duì)軟工件或易碎件實(shí)現(xiàn)測(cè)量的能力有限；測(cè)量前必須制定相應(yīng)的測(cè)量規(guī)劃和策略；探頭的半徑大小限制了對(duì)工件細(xì)部特征的測(cè)量要實(shí)現(xiàn)對(duì)高反射光或發(fā)散光的工件表面進(jìn)行測(cè)量，需要使用著色劑；不能對(duì)物體內(nèi)部或者被遮擋的

14、幾何特征進(jìn)行測(cè)量；許多CAEB件往往不易處理測(cè)量所獲取的高密度離散幾何數(shù)據(jù)；技術(shù)成本高；掃描設(shè)備需要與被測(cè)對(duì)象隔5定的跑離,增大整個(gè)系統(tǒng)的工作空間目前，除了充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)字化方法的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)外，一個(gè)重要的研究方向就是以傳感器規(guī)劃和信息融合為基礎(chǔ)，開發(fā)多種數(shù)字化方法的聯(lián)合使用方法與集成系統(tǒng)，其中CMM!視覺方法的集成由于在測(cè)量速度，精度與物理特性等方面具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，是目前最具有發(fā)展前景的集成數(shù)字方法。但如何提高集成過程中的自動(dòng)化、智能化程度，以下一些關(guān)鍵問題值得進(jìn)一步研究：(1)基于視覺技術(shù)的邊界輪廓和物體特征的識(shí)別方法；(2)CMM?能化測(cè)量技術(shù)；(3)高效的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法；(4)考

15、慮后續(xù)的模型重建的要求，數(shù)字化過程與表面重構(gòu)的集成化研究。1.3.2CAD建模技術(shù)產(chǎn)品的三維CADa模是指從一個(gè)已有的物理模型或者實(shí)物零件產(chǎn)生出相應(yīng)的CAD真型的過程，包括物體離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整個(gè)逆向過程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，也為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和加工制造等應(yīng)用提供數(shù)學(xué)模型支持。具內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)、圖像處理、圖形學(xué)、計(jì)算幾何、測(cè)量和數(shù)控加工等眾多交叉學(xué)科和工程領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界，尤其是CAD/CA順域廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)和難度問題。在實(shí)際的產(chǎn)品中，只由一張曲面構(gòu)成的情況不多，產(chǎn)品往往有多張曲面混合而成。由于組成曲面類型不同，因此，CADK型重建的一般步

16、驟：先根據(jù)幾何特征對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，然后分別對(duì)各個(gè)曲面片進(jìn)行擬合，再通過曲面的過渡、相交、裁剪、倒圓、等手段，將多個(gè)曲面“縫合”成一個(gè)整體，即重建的CAD模型。在逆向工程應(yīng)用初期，由于沒有專用的逆向軟件，只能選擇一些正向的CAD系統(tǒng)來(lái)完成模型的重建；后來(lái)，為滿足復(fù)雜曲面重建的要求，一些軟件商在其傳統(tǒng)CADS統(tǒng)里集成了逆向造型模塊，如Pro/Scan-tools、PointCloudy等；而伴隨著逆向工程及其相關(guān)技術(shù)理論研究的深入進(jìn)行及其成果商業(yè)應(yīng)用的廣泛展開，大量的商業(yè)化專用逆向工程CADS模系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。當(dāng)前，市場(chǎng)上提供了逆向建模功能的系統(tǒng)達(dá)數(shù)十種之多，較具代表性的有EDS公司的Image

17、wareGeomagic公司的GeomagicStudio、Paraform公司的Paraform、PTC公司的ICEMSurf、DELCA呸司的CopyCA啾件以及國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)的Re-Soft等。1.逆向工程CAD系統(tǒng)的分類1）根據(jù)CA晾統(tǒng)提供方式分類以測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)為研究對(duì)象的逆向工程技術(shù)，其逆向軟件的開發(fā)經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第一階段是一些商品化的CAD/CAka件集成進(jìn)專用的逆向模塊，典型的如PTC勺Pro/Scan-tools模塊、CATIAWQSR/GSD/DSE/FS塊及UGPointcloudy功能等。隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，這些有限的功能模塊已不能滿足數(shù)據(jù)處理、造型等逆向技術(shù)的要求；第二階

18、段是專用的逆向軟件開發(fā)，目前面世的產(chǎn)品類型已達(dá)數(shù)十種之多，典型的如Imageware,Geomagic,Polyworks,CopyCAD,ICEMSurf和RE-Soft等。2）根據(jù)CADS統(tǒng)建模特點(diǎn)與策略分類根據(jù)CA晾統(tǒng)提供方式的分類多少顯得有些籠統(tǒng)，難以為逆向軟件的類型提供更為明確的指導(dǎo)，因?yàn)槟嫦駽ADS模通常都是曲面模型的構(gòu)建，對(duì)CADS統(tǒng)的曲面、曲面處理功能要求較高，其分類沒有這方面的信息。再者，各種專用逆向軟件建模的側(cè)重點(diǎn)不一樣，從而實(shí)現(xiàn)特征提取與處理的功能也有很大的不同，如Imageware主要功能齊全，具有多種多樣的曲線曲面創(chuàng)建和編輯方法，但是它對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)域分割主要還是通過建

19、模人員依據(jù)其特征識(shí)別的經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)來(lái)完成，不能由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)；Geomagic區(qū)域分割自動(dòng)能力很強(qiáng)，并可以完全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)曲面的重建，但是創(chuàng)建特征線的方式又很單一，且重建的曲面片之間的連續(xù)程度不圖。依據(jù)逆向建模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)曲面重建的特點(diǎn)，可以將曲面重建的方式劃分為傳統(tǒng)曲面造型方式和快速曲面造型方式兩類。傳統(tǒng)曲面造型方式在實(shí)現(xiàn)模型重建上通常有兩種方法。（1）曲線擬合法，該方法先將測(cè)量點(diǎn)擬合成曲線，再通過曲面造型的方式將曲線構(gòu)建成曲面（曲面片），最后對(duì)各曲面片直接添加過渡約束和拼接操作完成曲面模型的重建。（2）曲面片擬合法，該方法直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，生成曲面（曲面片），最后對(duì)曲面片進(jìn)行過渡、拼接和裁剪等

20、曲面編輯操作，構(gòu)成曲面模型的重建。與傳統(tǒng)曲面造型方式相比，快速曲面造型方式通常是將點(diǎn)云模型進(jìn)行多邊形化，隨后通過多邊形模型進(jìn)行NURB乳面擬合操作來(lái)實(shí)現(xiàn)曲面模型的重建。兩種方式實(shí)現(xiàn)曲面造型的基本作業(yè)流程如圖1.8所示。圖1.8實(shí)現(xiàn)曲面造型的基本作業(yè)流程傳統(tǒng)曲面造型方式主要表現(xiàn)為由點(diǎn)一線一面的經(jīng)典逆向建模流程，它使用NURBS®面直線由曲線或測(cè)量點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建曲面，其代表有Imageware,ICEMSurf和CopyCA由。該方式下提供了兩種基本建模思路：一是由點(diǎn)直接到曲面的建模方法，這種方法是在對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)域分割后，直接應(yīng)用參數(shù)曲面片對(duì)各個(gè)特征點(diǎn)云進(jìn)行擬合，以獲得響應(yīng)特征的曲面基元，進(jìn)而

21、對(duì)各曲面基元進(jìn)行處理，獲得目標(biāo)重建曲面，如圖1.9(a)所示：二是由點(diǎn)到曲線再到曲面的建模方法，這種方法是在用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建的特征曲線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)曲面造型，而后通過響應(yīng)的處理以獲得目標(biāo)重建曲面的建模過程，如圖1.9(b)所示。傳統(tǒng)曲面造型延續(xù)了傳統(tǒng)正向CAD曲面造型的方法，并在點(diǎn)云處理與特征區(qū)域分割、特征線的提取與擬合及特征曲面片的創(chuàng)建方面提供了功能多樣化的方法，配合建模人員的經(jīng)驗(yàn)，容易實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的曲面重建，但是進(jìn)行曲面重建需要大量建模時(shí)間的投入和熟練建模人員的參與。并且，由于基于NURB珈面建模技術(shù)在曲面模型幾何特征的識(shí)別、重建曲面的光順性和精確度的平衡把握上，對(duì)建模人員的建模經(jīng)驗(yàn)提出了很高

22、的要求原始點(diǎn)云曲面茶元擻會(huì)CADS型構(gòu)造特征點(diǎn)云區(qū)域提取1a;1基于曲面片直接抵合的曲面重建原始點(diǎn)云曲面片擬合與曲畫面重林征線提取與區(qū)城分割(b)基于粉征曲線的曲前版建圖1.9傳統(tǒng)曲面造型方式建?？焖偾嬖煨头绞绞峭ㄟ^對(duì)點(diǎn)云的網(wǎng)格化處理，建立多面體化表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，其代表有GeomagicStudio和Re-soft等。一個(gè)完整的網(wǎng)格化處理過程通常包括以下步驟：首先，從點(diǎn)云中重建三角網(wǎng)格曲面，再對(duì)這個(gè)三角網(wǎng)格曲面分片，得到一系列有四條邊界的子網(wǎng)格曲面；然后，對(duì)這些子網(wǎng)格逐一參數(shù)化；最后，用NURB乳面片擬合每一片子網(wǎng)格曲面，得到保持一定連續(xù)性的曲面樣條，由此得到用NURBSS面表示的CAD1型，可

23、以用CAWC件進(jìn)行后續(xù)處理，圖1.10中Geomagic的“三階段法”便是快速曲面造型曲面重建的一個(gè)典型說明。圖1.10快速曲面重建的“三階段法”快速曲面造型方式的曲面重建方法簡(jiǎn)單、直觀、適用于快速計(jì)算和實(shí)時(shí)顯示的領(lǐng)域，順應(yīng)了當(dāng)前許多CADS型系統(tǒng)和快速原型制造系統(tǒng)模型多邊形表示的需要，已成為目前應(yīng)用廣泛的一類方法。然而，該類方法同時(shí)也存在計(jì)算量大、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高，曲面對(duì)點(diǎn)云的快速適配需要使用高階NURB珈面等不足，而且面片之間難以實(shí)現(xiàn)曲率連續(xù)，難以實(shí)現(xiàn)高級(jí)曲面的創(chuàng)建。2.兩類逆向建模技術(shù)的比較總得說來(lái)，兩類曲面造型方式的差異主要表現(xiàn)在處理對(duì)象、重建對(duì)象及建模質(zhì)量等方面。1）處理對(duì)象的異同

24、在傳統(tǒng)曲面造型方式的逆向系統(tǒng)中，所處理的點(diǎn)云涵蓋了對(duì)從低密度、較差質(zhì)量（如Pro/Pcan-tools）的高質(zhì)量、密度適中（如ICEMSuif、CopyCADO,再到高密度整個(gè)范圍。如Imageware便可以接受絕大部分的CMMLzserScan、X-rayScan的資料，并且沒有點(diǎn)云密度和數(shù)據(jù)量大小的限制。只是在實(shí)際建模過程中，往往會(huì)先對(duì)密度較大的點(diǎn)云進(jìn)行采樣處理，以改善計(jì)算機(jī)內(nèi)存的使用。而對(duì)于快速曲面造型方式，為了獲取較好的建模精度，往往要求用于曲面重建的點(diǎn)云具有一定的點(diǎn)云密度和比較好的點(diǎn)云質(zhì)量。如在GeomagicStudio中，要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的多邊形化模型的創(chuàng)建，必須保證處理點(diǎn)云具有足夠的

25、密度和較好的質(zhì)量，否則無(wú)法創(chuàng)建多邊形模型或創(chuàng)建的多邊形模型出現(xiàn)過多、過大的破洞，嚴(yán)重影響后續(xù)構(gòu)建曲面的質(zhì)量。2）重建對(duì)象的異同對(duì)于具有豐富特征模型的曲面重建（如工藝品、雕塑、人體設(shè)計(jì)等），使用傳統(tǒng)曲面造型的方法就顯得非常困難，而快速曲面造型的方法則能輕易勝任。止匕外，在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)過程中，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)相應(yīng)的手工雕刻模型進(jìn)行最初的快速建模時(shí)，快速曲面造型方式便是一種最佳的選擇。而對(duì)于多由常規(guī)曲面構(gòu)成的典型機(jī)械產(chǎn)品，或如汽車車體和內(nèi)飾件造型等這些往往對(duì)曲面造型的質(zhì)量要求很高的場(chǎng)合，目前采用的主要還是傳統(tǒng)曲面造型方式的逆向系統(tǒng)。3）建模質(zhì)量的比較逆向建模的質(zhì)量表現(xiàn)在曲面的光順性和

26、曲面重建的精度兩個(gè)方面。從曲面的光順性角度看，目前，盡管在一些領(lǐng)域快速曲面造型取得了令人滿意的成果，但曲面重建中各曲面片之間往往只能實(shí)現(xiàn)G1聯(lián)系，難以實(shí)現(xiàn)G2連續(xù)，從而無(wú)法構(gòu)建高品質(zhì)的曲面，這也限制了在產(chǎn)品制造商的應(yīng)用。相比而言，傳統(tǒng)曲面造型方式提供了結(jié)合視覺與數(shù)學(xué)的檢測(cè)工具和高效率的連續(xù)性管理工具，能及時(shí)且同步地對(duì)構(gòu)建的曲線、曲面進(jìn)行檢測(cè)，提供即時(shí)的分析結(jié)果，從而容易實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的曲面構(gòu)建。在精度方面，兩種方法均可獲得較高精度的重建結(jié)果，但相對(duì)來(lái)說，快速曲面造型遵循相對(duì)固定的操作步驟，而傳統(tǒng)曲面造型方式則更依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。3.逆向工程的CADS模系統(tǒng)分類通過綜合分析當(dāng)前典型商業(yè)逆向CAD

27、S模系統(tǒng)（軟件/模塊）建模特點(diǎn)和策略，我們將其按照傳統(tǒng)曲面造型方式與快速曲面造型方式進(jìn)一步分類，其結(jié)果如表1.2所示。表1.2逆向工程CA晾統(tǒng)的分類軟件（模塊）類型軟件（模塊）名逆向曲向重建建模方式特點(diǎn)傳統(tǒng)曲面造型方式快速曲面造型方式ImagewareO逆向流程遵循由點(diǎn)-線-面曲面創(chuàng)建模式，并具有由點(diǎn)云直接擬合曲面的功能。曲線、曲面創(chuàng)建和編輯方法多樣，輔以即時(shí)的品質(zhì)評(píng)價(jià)工具，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量曲面創(chuàng)建Geomagicr-1遵循點(diǎn)-多邊形-曲面二個(gè)階段作業(yè)流程，可以輕易地從點(diǎn)云創(chuàng)建出完美的多邊形模型和樣條四邊形網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURB釉面，建模效率高。新增的Fsshion模塊可以通過定義曲面特征類

28、型來(lái)捕獲物理原型設(shè)計(jì)意圖，并擬合成準(zhǔn)CAD#面專用逆向軟件CopyCADr遵循由點(diǎn)云。構(gòu)造線-特征戔士曲面的逆向流程，整個(gè)進(jìn)程基本上是交互式完成的，具有f的快速式曲面造型的特點(diǎn)Rapidform遵循由點(diǎn)云-多邊形化模型-曲線網(wǎng)格-NURBS曲面的逆向流程，提供了自動(dòng)和手動(dòng)兩種曲面構(gòu)建的方式和類似正向CADF臺(tái)的曲面建模上具，允許從3D掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建解析曲面ICEMSurf口逆向作業(yè)流程為點(diǎn)云-測(cè)量線-曲面片,支持按鍵式和互動(dòng)式兩種準(zhǔn)自動(dòng)化的曲面重建方法。基于BEZIER和NURBS兩種數(shù)學(xué)方法，可以在兩種曲面/曲面之間靈活地相互轉(zhuǎn)換，A級(jí)曲面造型的效率較高，可以快速、動(dòng)態(tài)地修改和重用曲面上的特

29、征Polyworks遵循的逆向工作流程：點(diǎn)云獲取和處理-創(chuàng)建多邊形化模型-構(gòu)造特征曲線-倉(cāng)I建曲線網(wǎng)格-用BEZIE尋口NURBffl®擬合曲面片-添加曲面片連續(xù)性約束-生成曲面模型，軟件具有自動(dòng)檢測(cè)邊界、自動(dòng)縫合等快速建模功能RE-Soft遵循特征造型的理念，提供了基于截面特征曲線兩種建模策略，在實(shí)際應(yīng)用上，兩種策略相互約束和滲透。也提供了有點(diǎn)玄-二角剖分模型-Bezier曲曲擬合的自動(dòng)化曲向重建方法軟件（模塊）類型軟件（模塊）名逆向曲向重建建模方式特點(diǎn)傳統(tǒng)曲面造型方式快速曲面造型方式提供逆向模塊的正向CAD/CAE/CAMK件DESkQSR&GS或FSO在CATIA建模系

30、統(tǒng)中，四個(gè)模塊均可用于逆向工程建模，曲面模型的生成符合一般產(chǎn)品建模的基本要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和檢測(cè)流程遵循逆向工程建模的一般流程，即掃描點(diǎn)云-特征線-曲面，具有較為豐富全面的曲面建模功能Pro/Scan-tools是集成與Pro/E軟件中的專用于逆向建模的工具模塊，具后基于曲線（型曲線）和基于曲面（常規(guī)的Pro/E曲面和型曲面）兩種方式獨(dú)立或者結(jié)合的曲面重建方式，可以根據(jù)掃描數(shù)據(jù)建立光滑曲面Pointcloud該模型是集成在UG軟件中的用于逆向工程建模的工具模塊，具逆向造型遵循：點(diǎn)-線-面一般原則，對(duì)具有單值特征的曲曲直接擬合成曲面，與專業(yè)的逆向工程軟件相比，其功能較為有限說明：1.表示項(xiàng)目初2.D

31、SE:DigitizedShapeEd重建）；GSD:Generative2選中；匚二）表示項(xiàng)目未被選中。itor（數(shù)子編輯盔）；QSR:QuickShapeReconstruction（快速造型ShapeDesign（生成造型設(shè)計(jì)）；FS:Freesyle（自由造型設(shè)計(jì)）目前，雖然商用的逆向工程軟件類型很多，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，專門的逆向工程設(shè)計(jì)軟件還存在較大的局限性,例如,Imageware軟件在讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí),系統(tǒng)工程速度較快，能較容易地進(jìn)行海量點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理，但進(jìn)行面擬合時(shí)，Imageware所提供的工具及面的質(zhì)量卻不如其他CA球件（如Pro/E、UE等）。但使用Pro/E、UE等軟件讀取

32、海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)是，卻存在由于數(shù)據(jù)龐大而造成系統(tǒng)運(yùn)行速度太慢等問題。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，逆向工程軟件集中表現(xiàn)為智能化低；點(diǎn)云數(shù)據(jù)的出來(lái)方面功能弱；建模過程主要依靠人工干預(yù)，設(shè)計(jì)精度不夠高；集成化程度低等問題。在具體工程設(shè)計(jì)中，一般采用幾何軟件配套使用、取長(zhǎng)補(bǔ)短的方式。因此，在實(shí)際建模過程中，建模人員往往采用“正向+逆向”的建模模式，也稱為混合建模，即在正向CAM件的基礎(chǔ)上，配備專用的逆向造型軟件（如Imageware、Geomagic等）。在逆向軟件中先構(gòu)建出模型的特征線，再將這些線導(dǎo)入到正向CA際統(tǒng)中，由正向CA而統(tǒng)來(lái)完成曲面重建。1.4逆向工程技術(shù)的發(fā)展目前，逆向工程在數(shù)據(jù)處理、曲面處理、曲面擬

33、合、規(guī)則特征識(shí)別、專用商業(yè)軟件和三維掃描儀的開發(fā)等方面已取得了非常顯著的進(jìn)步，但在實(shí)際應(yīng)用中，缺乏明確的建模指導(dǎo)方針，整個(gè)過程仍需大量的人工交互，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動(dòng)重建曲面的光順性難以保證，對(duì)建模人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)技能依賴較重。而且目前的逆向工程CACB模軟件大多仍以構(gòu)造滿足一定精度和光順性要求的CAD真型為最終目標(biāo)，沒有考慮在產(chǎn)品創(chuàng)新需求，因此逆向工程技術(shù)仍然是目前CAD/CAMJ域一個(gè)非常活躍的研究方向。逆向工程CADt模的研究經(jīng)歷了以幾何形狀重構(gòu)為目的逆向工程CADDS模，基于特征的逆向工程CADS模和支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的逆向工程CADS模三個(gè)階段。以現(xiàn)有產(chǎn)品為原型，還

34、原產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖，注重重建模型的再設(shè)計(jì)能力已成為當(dāng)前逆向工程CADS模研究的重點(diǎn)。1）以幾何形狀重構(gòu)為目的的CADS模在目前的一些比較實(shí)用的以幾何形狀重建為目的的逆向工程CADS模軟件中，仍以構(gòu)造滿足一定精度和光順性要求，與相鄰曲面光滑拼接的曲面CAD真型為最終目標(biāo)。以幾何形狀重構(gòu)為目的的逆向工程CADS模方法對(duì)于恢復(fù)幾何原形是有效的，但建模過程復(fù)雜，建模效率低，交互操作多，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確建模。而且缺乏對(duì)特征的識(shí)別，丟失了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的特征信息，與產(chǎn)品的造型規(guī)律不相符合，無(wú)法表達(dá)產(chǎn)品的原始設(shè)計(jì)意圖。因此，在這種建模方法和模型初始表示對(duì)于表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖和創(chuàng)新設(shè)計(jì)是不適宜的。2）基于特征的C

35、ADS?；谔卣鞯哪嫦蚬こ藽ADS模是將正向設(shè)計(jì)中的特征技術(shù)引入逆向工程形成的一種CADS模思路，通過抽取蘊(yùn)含在測(cè)量數(shù)據(jù)中的特征信息，重建基于特征表達(dá)的參數(shù)化CAD真型，表達(dá)原始設(shè)計(jì)意圖。該方法具有的優(yōu)勢(shì)如下：(1)表達(dá)了原始設(shè)計(jì)信息，可以重建更為精確的CAD真型，提高CAD真型重建的效率；(2)特征包含了高層次的表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖的工程信息，通過對(duì)特征參數(shù)的是修改和優(yōu)化，可以得到不同參數(shù)的系列化新產(chǎn)品CAD真型，從而加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度?；谔卣鞯哪Ｐ椭亟ㄑ芯恐饕性谔卣髯R(shí)別，包括邊界線和曲面特征，研究對(duì)象主要是規(guī)則特征。但在CAD真型重建方面，都存在著這樣一個(gè)缺陷，即將模型重建分割為孤立的曲面片造型，忽略了產(chǎn)品模型的整體屬性。3)支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的CADS模從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，逆向工程的應(yīng)用可分為兩個(gè)目標(biāo)：原始復(fù)制和設(shè)計(jì)創(chuàng)新。對(duì)于復(fù)雜曲面外形產(chǎn)品的逆向工程CADS模而言，其主要目的不是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品外形進(jìn)行簡(jiǎn)單復(fù)制，而是要建立產(chǎn)品CAD勺模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。具備進(jìn)一步創(chuàng)新功能的逆向工程包含了三維重構(gòu)與基于原型的再設(shè)計(jì)，真正體現(xiàn)了現(xiàn)代逆向工程的核心與實(shí)質(zhì)。要進(jìn)行基于原型或