汽車方向盤逆向工程的數(shù)字化設(shè)計論文

1、大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計汽車方向盤逆向工程的數(shù)字化設(shè)計學(xué) 生： 學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 助理指導(dǎo)教師：專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化大學(xué)機械工程學(xué)院二O年六月Graduation Design of Design of Steering wheel based on reverse engineeringUndergraduate: Supervisor: LecturerMajor: Mechatronics EngineeringCollege of Mechanical EngineeringJune，20摘 要隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟的發(fā)展，產(chǎn)品的功能已不再是贏得市場的唯一條件。要吸引消費者，

2、產(chǎn)品不僅要具有強大的功能，還要有流暢，造型豐富和個性的外觀。高品質(zhì)的產(chǎn)品外觀必然要由復(fù)雜的曲面組成。但是，傳統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)模式中，設(shè)計師在CAD/CAM系統(tǒng)設(shè)計中很難用嚴(yán)密統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語言來描述這些自由曲面。從而使得逆向設(shè)計和快速成型方法在產(chǎn)品設(shè)計中的地位凸現(xiàn)出來。逆向工程在CAD/CAM系統(tǒng)中的使用大大降低了產(chǎn)品設(shè)計速度，縮短了設(shè)計周期，使得從已有產(chǎn)品到新產(chǎn)品的改型變得容易操作。逆向工程的方法必將成為現(xiàn)代工業(yè)造型設(shè)計的首選。本文在對逆向工程和數(shù)控加工技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，完成了汽車方向盤的逆向設(shè)計及數(shù)控加工。首先使用ATOS掃描系統(tǒng)對實物模型方向盤進(jìn)行掃描，生成數(shù)據(jù)點云，通過我們對點云的降噪、去雜點

3、、光順等預(yù)處理，得到我們所需要的準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)點云。然后再使用點云處理軟件在點云的基礎(chǔ)上重新建模，在對模型分析評價的基礎(chǔ)上進(jìn)行模具設(shè)計，針對模具的生產(chǎn)進(jìn)行了數(shù)控加工編程，使用數(shù)控加工中心加工模具，最后對前期建立的模型進(jìn)行數(shù)控加工。文中內(nèi)容圍繞著產(chǎn)品快速成型技術(shù)的幾個環(huán)節(jié)：三維數(shù)據(jù)采集，點云預(yù)處理，CAD模型重構(gòu)，模具設(shè)計及數(shù)控加工，通過汽車方向盤的逆向設(shè)計加工具體介紹了應(yīng)用逆向工程的數(shù)字化設(shè)計方法，總結(jié)了基于逆向工程的產(chǎn)品造型設(shè)計基本過程，提出了改善了產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)的新思路。關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計；模具設(shè)計，數(shù)控加工；點云處理；atos掃描系統(tǒng)，CAD模型重構(gòu)ABSTRACTWith industrial

4、 and technological progress and economic development, the product features are no longer the only condition to win the market. To attract consumers, the product not only has strong capabilities, but also a smooth, rich styling and personalized look. The appearance of high-quality products is bound t

5、o the surface by the complex composition. However, traditional design and development model, designers in CAD / CAM system design difficult to use rigorous unified mathematical language to describe the free surface. So that the reverse design and rapid prototyping methods in product design stand out

6、 in the position. Reverse engineering in CAD / CAM system, greatly reduced the use of design speed, shorten the design cycle, making new products from existing products to the modification becomes easy to operate. Reverse engineering of modern industrial design will become the first choice. In this

7、paper, reverse engineering and CNC machining technology based on the completion of the reverse steering wheel design and CNC machining. ATOS scanning system the first to use the steering wheel on the physical model to scan data point cloud generated by our point cloud noise reduction, to noise, such

8、 as pre-smoothing, to get what we need accurate data point cloud. And then use the point cloud point cloud processing software based on the re-modeling, analysis and evaluation model based on mold design, mold production were for NC programming, CNC machining center with mold, the last of the pre-es

9、tablished model for NC machining. The contents of the text surrounding the product of several aspects of rapid prototyping technology: three-dimensional data acquisition, point cloud pretreatment, CAD model reconstruction, mold design and CNC machining, reverse through the steering wheel are introdu

10、ced in detail the design process using reverse engineering of digital design summarized based on reverse engineering the basic process of product design, product design is proposed to improve the links of new ideas. Keywords: reverse design; die design, CNC machining; point cloud processing; atos sc

11、anning system, CAD model reconstruction目錄摘 要IIAbstractII第一章 緒論21.1逆向工程簡介21.2逆向工程研究背景21.3逆向工程制造過程簡介21.4本文研究的內(nèi)容21.5本章小結(jié)2第二章 逆向工程測量系統(tǒng)22.1掃描系統(tǒng)簡介22.2三維掃描方法分類2接觸式數(shù)據(jù)采集方法2非接觸式數(shù)據(jù)采集方法22.3 ATOS三維掃描儀簡介22.4 ATOS系統(tǒng)組成22.5 ATOS系統(tǒng)工作原理22.6 汽車方向盤實例掃描過程22.7 本章小結(jié)2第三章 數(shù)據(jù)預(yù)處理23.1點云數(shù)據(jù)的平滑處理23.2 點云的數(shù)據(jù)精簡23.3 誤差點的處理23.4 點云的對齊23

12、.5本章小結(jié)2第四章 三維模型重構(gòu)24.1模型重構(gòu)技術(shù)簡述24.2汽車方向盤逆向造型實例24.3本章小結(jié)2第五章 模具設(shè)計及數(shù)控加工過程25.1汽車方向盤模具設(shè)計過程25.2數(shù)控編程及機床使用方法25.3本章小結(jié)2第六章 結(jié)論與展望26.1總結(jié)26.2展望2參考文獻(xiàn)2致謝2第一章 緒論1.1逆向工程簡介逆向設(shè)計是一種相對于正向設(shè)計的產(chǎn)品設(shè)計方法。在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，產(chǎn)品設(shè)計是一個從無到有的過程，即設(shè)計人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后通過設(shè)計計算與繪制圖紙建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終使用這個模型進(jìn)行制作加工，完成產(chǎn)品的整個設(shè)計制造過程。這樣的產(chǎn)品設(shè)計過程我們稱為“正

13、向設(shè)計”的過程。產(chǎn)品造型設(shè)計的正向設(shè)計流程如圖1.1所示。【1】CAD造型設(shè)計模型塑造3D外形測量模具設(shè)計產(chǎn)品加工圖1.1正向設(shè)計流程圖如前所述，在現(xiàn)代工業(yè)中，由于很多零部件在外觀設(shè)計上要求的提高，使得通過正向設(shè)計過程獲得理想曲面難度較大。而逆向工程的產(chǎn)品設(shè)計可以認(rèn)為是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程產(chǎn)品設(shè)計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)(包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型)的過程，它起源于精密測量和質(zhì)量檢驗，是設(shè)計下游向設(shè)計上游反饋信息的回路。具體而言就是針對已有的產(chǎn)品或零件原型，通過3D數(shù)字化測量儀準(zhǔn)確、快速地測量出工件輪廓的三維坐標(biāo)，把獲取的工件坐標(biāo)數(shù)據(jù)點存入計算機形成“

14、點云”文件，再利用逆向設(shè)計軟件通過對點云的處理構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計模型，并在此基礎(chǔ)上對已有的產(chǎn)品進(jìn)行剖析、理解和改進(jìn)。逆向設(shè)計的過程是對已有設(shè)計的再設(shè)計，實質(zhì)上是一個“認(rèn)識-再現(xiàn)-超越”的過程。因此，逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何建模技術(shù)的總稱。隨著計算機技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)和測量技術(shù)的飛躍發(fā)展，逆向工程在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。逆向工程的實施過程是多領(lǐng)域、多學(xué)科的協(xié)同過程。逆向設(shè)計的流程如圖12所示?！?】實物模型數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)處理曲面重構(gòu)CAD建模新產(chǎn)品NC代碼CAD/CAM系統(tǒng)格式轉(zhuǎn)換接口產(chǎn)品原型快速成型機數(shù)據(jù)檢驗及修正圖1.2逆向設(shè)計流程圖1.

15、2逆向工程研究背景作為產(chǎn)品設(shè)計制造的一種手段，在20世紀(jì)末，逆向工程技術(shù)開始受到各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，從那時起，有關(guān)逆向工程技術(shù)的研究和應(yīng)用就一直受到政府、企業(yè)和科研機構(gòu)的關(guān)注。特別是隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)及測量技術(shù)的發(fā)展，利用CAD/CAM技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)來實現(xiàn)產(chǎn)品的逆向工程，已經(jīng)成為CAD/CAM領(lǐng)域的一個研究熱點，并成為逆向工程技術(shù)應(yīng)用的主要內(nèi)容?！?】逆向工程技術(shù)并不是一項孤立的技術(shù)，它與現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)以及三維測量技術(shù)都有著廣泛的聯(lián)系。從理論角度分析，逆向工程需要按照產(chǎn)品的三維測量數(shù)據(jù)重新構(gòu)建出和現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)完全兼容的三維模型，這是逆向工程應(yīng)用的終極目標(biāo)。但是

16、目前人們所掌握的技術(shù)，都仍然沒有辦法滿足這樣的需求。特別是針對大規(guī)?！包c云”數(shù)據(jù)的模型重構(gòu)，更是遠(yuǎn)未達(dá)到可以直接在CAD/CAM系統(tǒng)中應(yīng)用的效果。目前逆向工程技術(shù)和現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)是一種相輔相成的關(guān)系?，F(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)過長期積累，在理論和實踐上都已經(jīng)相當(dāng)成熟，所以現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)不會為了滿足逆向工程建模的要求而改變系統(tǒng)底層。另一方面，現(xiàn)有CAD/CAM的大量建模方法也可以在逆向工程系統(tǒng)中使用，而不需要重新搭建平臺?；谝陨蠋c，三維模型重構(gòu)技術(shù)在整個制造體系鏈中處于從屬、輔助建模的地位，它可以利用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，幫助實現(xiàn)自身無法完成的工作?！?】目前，在國際市場上已

17、出現(xiàn)了一些專門用于產(chǎn)品逆向設(shè)計的軟件，如美國UGS公司的imageware軟件，英國Renishaw公司的TRACE，英國MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction等，英國DelCAM公司產(chǎn)品CopyCAD；此外，一些CAD/CAM系統(tǒng)如美國PTC公司的Pro、Engineer 2000和美國IBM公司的CATIA等在其系統(tǒng)中也集成了可實現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計的模塊，但他們?nèi)耘c專業(yè)的逆向工程軟件在功能上有較大差距。逆向工程是在逆向工程軟件的支撐下得以實施的。逆向工程軟件主要作用是接收來自測量設(shè)備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過一系列的操作，重新構(gòu)建出品質(zhì)優(yōu)良的曲線和曲面模型，并

18、通過在CAD/CAM系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式將這些曲線曲面數(shù)據(jù)輸送到現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)中，在這些軟件中最終完成的產(chǎn)品造型。由于無法完全實現(xiàn)產(chǎn)品造型，因此逆向工程的CAD軟件很難與現(xiàn)有的主流CAD/CAM軟件系統(tǒng)，如CATIA、UG、Pro/ENGINEER等相抗衡。很多逆向工程軟件被收購而成為這些CAD/CAM系統(tǒng)的第三方軟件。如UG軟件使用ImageWare作為UG系列產(chǎn)品中完成逆向工程造型的軟件。此外還有一些獨立的逆向工程軟件，如GeoMagic等，這些軟件一般具有多元化的功能和更專業(yè)層面的應(yīng)用。例如，GeoMagie除了處理幾何曲面造型以外，還被用來處理CT的斷層界面數(shù)據(jù)造型，從而

19、使軟件在醫(yī)療成像領(lǐng)域中具有相當(dāng)大的競爭力。另外，一些逆向工程軟件作為整體系列軟件產(chǎn)品中的一部分，無論數(shù)據(jù)模型還是幾何引擎均與系列產(chǎn)品中的其他組件保持一致，從而使逆向工程軟件產(chǎn)生的模型可以直接進(jìn)入CAD或CAM模塊中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成?！?】20世紀(jì)90年代后期，由于國內(nèi)制造業(yè)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批高科技公司，推動了逆向工程技術(shù)在我國迅速發(fā)展。西安愛德華測量設(shè)備有限公司，其在數(shù)控系統(tǒng)、測量軟件及光學(xué)圖像信息處理技術(shù)等核心技術(shù)上擁有自主知識產(chǎn)權(quán)；在三坐標(biāo)數(shù)學(xué)處理模型的建立、PC總線CNC控制和計算機圖像處理與坐標(biāo)測量技術(shù)研究領(lǐng)域已達(dá)到了國際先進(jìn)水平。寧波德立星科公司推出的柔性三維激光掃描及檢

20、測系統(tǒng)FlexMe，由于其柔性好、操作簡單、精度高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于逆向工程系統(tǒng)?！?】逆向工程在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、規(guī)則特征識別、專用商業(yè)軟件和三維掃描儀的開發(fā)等方面已取得非常顯著的進(jìn)步，但在實際應(yīng)用中，整個過程仍需大量的人工交互，產(chǎn)品的質(zhì)量很大程度上取決于操作者的經(jīng)驗和素質(zhì)，自動重建曲面的光順性難以得到保證，因此逆向工程技術(shù)依然是目前CAD/CAM領(lǐng)域中一個十分活躍的研究方向。以下方面技術(shù)的發(fā)展值得期待：（1）發(fā)展面向逆向工程的專用測量系統(tǒng)，使之能高速、高精度地實現(xiàn)實物數(shù)字化，并能根據(jù)樣件幾何形狀和后續(xù)應(yīng)用選擇測量方式及路徑，能進(jìn)行路徑規(guī)劃和自動測量。（2）研究適應(yīng)不同的測量方法和后續(xù)用途

21、的離散數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)。（3）擬合曲面應(yīng)能控制曲面的光順性和進(jìn)行光滑拼接。（4）有效的特征識別和考慮約束的模型重建以及復(fù)雜組合曲面的識別和重建方法。（5）發(fā)展集成的逆向工程技術(shù)，包括測量技術(shù)、基于特征和集成的模型重建技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化制造技術(shù)等。在逆向工程中使用到的技術(shù)主要有：逆向工程數(shù)據(jù)測量技術(shù)、逆向工程數(shù)據(jù)處理技術(shù)和逆向模型重建技術(shù)等幾個方面。關(guān)于逆向工程方面的內(nèi)容本文將在第二至四章進(jìn)行重點介紹。計算機輔助制造的主要技術(shù)有模具設(shè)計和產(chǎn)品數(shù)控加工。將在本節(jié)中對各項技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展做簡單的分析，并簡單介紹在本次研究中所使用的具體方法和工具。1.3逆向工程制造過程簡介在逆向設(shè)計生成的模

22、型，可以在計算機輔助設(shè)計制造系統(tǒng)中使用以支持其模具設(shè)計、數(shù)控編程、計算機仿真等后續(xù)操作。通過計算機輔助制造系統(tǒng)可以快速的生成產(chǎn)品制造生產(chǎn)過程中所需要的模具。模具設(shè)計和數(shù)控加工是產(chǎn)品由三維數(shù)字模型到具體產(chǎn)品的過程。使用計算機輔助制造系統(tǒng)能夠顯著提高模具設(shè)計和數(shù)控編程的速度。模具工業(yè)在國際上被稱為“工業(yè)之母【7】，是衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。對國民經(jīng)濟發(fā)展起著非常重要的作用。模具工業(yè)是機械工業(yè)的重要組成部分，模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備。目前，世界各國都相當(dāng)重視模具工業(yè)，它發(fā)展的速度制約或推進(jìn)著工業(yè)。模具工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。因為利用模具來生產(chǎn)產(chǎn)品具有很多先天優(yōu)勢，所以它被廣泛

23、應(yīng)用于家電、電子、電器、汽車、儀表、航空航天、電子等工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)之中。利用模具來生產(chǎn)產(chǎn)品的優(yōu)點主要有以下幾點：首先，它可以有效提高生產(chǎn)效率，能夠節(jié)約大量的原材料；其次，模具的使用能夠有效地改善材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷，提高制件各個方面的性能；再次，經(jīng)過模具生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，后續(xù)加工工序少，提高材料利用率，縮短了生產(chǎn)周期；最后，使用模具，特別適合大批大量生產(chǎn)。使用模具生產(chǎn)的制件所達(dá)到的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低耗能、低耗材是其他加工方法所無法比擬的。其產(chǎn)品價值往往是模具本身價值的幾十倍乃至上百倍。從而使得模具工業(yè)在制造業(yè)中的地位越來越重要?！?】作為產(chǎn)品從設(shè)計到實物的最后一個環(huán)節(jié)，數(shù)

24、控加工技術(shù)是將設(shè)計模型轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的最終方案。數(shù)控機床的發(fā)展是衡量一個國家制造業(yè)水平的標(biāo)桿。而高速、精密和多軸聯(lián)動數(shù)控機床的控制系統(tǒng)則代表制造業(yè)的最高水平，從某種意義上說它反映了一個國家的工業(yè)水平的整體狀況。目前中國的高檔數(shù)控機床大多是采用德國西門子FG1H型數(shù)控系統(tǒng)，而且其中很多重要功能被有意的關(guān)閉和限制，如果想要打開則需要另外進(jìn)行逐項談判，以高的代價來購買。高檔數(shù)控系統(tǒng)的高度依賴國外的現(xiàn)狀已經(jīng)嚴(yán)重制約我國高檔數(shù)控機床的發(fā)展。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)量很大，但大多屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床。經(jīng)濟型數(shù)控機床的一個特征是價格便宜；另一個特征是開環(huán)控制，即僅僅通過脈沖方式與電動機的驅(qū)動器進(jìn)行通訊，電動機編碼器的反饋

25、信號沒有參與運動控制的運算。這樣的控制系統(tǒng)在控制規(guī)格小、精密度低或軸數(shù)少的機床是可以的，但對于大型、精密、多軸的復(fù)合式數(shù)控機床是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足的?！?】【10】雖然我國數(shù)控機床方面的發(fā)展還與發(fā)達(dá)國家存在著一定的差距，但是我們相信，隨著社會的發(fā)展，中國的數(shù)控加工技術(shù)必將取得長足的進(jìn)步。在本設(shè)計中我們使用ug軟件系統(tǒng)中的MoLDFLow軟件模塊對汽車方向盤模具進(jìn)行設(shè)計。通過實例展示了注塑模設(shè)計的全過程。我們使用美國哈斯公司生產(chǎn)的數(shù)控加工中心對汽車方向盤模具中的個別零件進(jìn)行了數(shù)控加工。這一部分內(nèi)容，我們將在第四章和第五章進(jìn)行重點介紹。1.4本文研究的內(nèi)容。文中在對產(chǎn)品的逆向工程技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)

26、上，以汽車方向盤的逆向設(shè)計和加工為例總結(jié)出了產(chǎn)品逆向設(shè)計的具體過程和方法。主要包括以下方面研究內(nèi)容：(1)逆向工程方法的研究。逆向工程具體概念以及實施過程分析。 (2)三維掃面技術(shù)研究，采集物理模型三維點云數(shù)據(jù)，總結(jié)物理模型到CAD模型數(shù)據(jù)的傳遞方法。(3)使用三維設(shè)計軟件完成產(chǎn)品的逆向建模，探討使用空間點云數(shù)據(jù)快速重建CAD模型的方法。(4)使用ug完成產(chǎn)品模具設(shè)計和數(shù)控編程，總結(jié)CAD/CAM系統(tǒng)數(shù)控模具設(shè)計和數(shù)控編程方法。(5)使用數(shù)控加工設(shè)備加工產(chǎn)品模型，總結(jié)數(shù)控機床使用方法。隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，創(chuàng)新高品質(zhì)的車型不斷推出，促進(jìn)汽車研發(fā)周期不斷縮短。傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)很難跟上步伐

27、。如何提高新產(chǎn)品的開發(fā)水平和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，已成為我國汽車行業(yè)亟待解決的問題。本文以汽車方向盤作為研究對象，通過對其逆向設(shè)計和后期加工制造的過程，總結(jié)了逆向工程的一般方法。通過本文中新技術(shù)的使用和提出，可以明顯縮短開發(fā)周期，提高效率。逆向工程的方法同樣可以用在其他新產(chǎn)品的開發(fā)和改型中，所以針對逆向工程做出以上各項的研究就具有了很強的實際意義。1.5本章小結(jié)本章結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)資料，介紹了正向工程與逆向工程的概念，以及逆向工程中使用的主要方法和技術(shù)，并對其發(fā)展現(xiàn)狀和前景做了分析。同時，本章簡明的提出了后面幾章論文的內(nèi)容，在整篇論文中具有提綱挈領(lǐng)的作用。后面各章將依照本章提到的順序結(jié)合實例對逆向工程

28、中各個環(huán)節(jié)做詳細(xì)分析。第二章 逆向工程測量系統(tǒng)2.1掃描系統(tǒng)簡介在逆向工程過程中面對實物樣件需要一種有效的三維測量技術(shù)，通過對實物進(jìn)行激光掃描或結(jié)構(gòu)光測量來獲得實物的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果輸入到計算機中進(jìn)行處理。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)來建立三維CAD模型，進(jìn)而開發(fā)出同類的產(chǎn)品以實現(xiàn)逆向工程。因此數(shù)據(jù)測量技術(shù)是整個逆向工程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。只有在有效準(zhǔn)確的測量基礎(chǔ)上逆向工程才得以實現(xiàn)。國外三維掃描設(shè)備目前己有較多的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于機械加工，數(shù)字城市建模等領(lǐng)域，根據(jù)掃描儀使用方式和應(yīng)用領(lǐng)域分為手持式、臺式、地面以及機載掃描儀等。歐美精度最高的臺式掃描儀掃描精度可以達(dá)到十幾個微米，得到的點云密度甚至超過人眼的分辨率，工作時

29、同時使用三色激光掃描得到真彩色點云數(shù)據(jù)。這種點云模型已經(jīng)不需要進(jìn)行網(wǎng)格化，但是模型數(shù)據(jù)量龐大，比較適用于小件并且珍貴的文物建模?！?1】2.2三維掃描方法分類獲得準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)時進(jìn)行逆向工程的基礎(chǔ)。因此，逆向工程中首先要做的就是對現(xiàn)有實體模型進(jìn)行掃描，得到一組掃描數(shù)據(jù)。目前我們獲得點云數(shù)據(jù)一般都是通過三維掃描儀，然而不同的掃描儀其工作原理、結(jié)構(gòu)、工作方式各不相同。三維掃描儀大體可以分為接觸式掃描儀和非接觸式掃描儀。而接觸式與非接觸式掃描儀又有不同的分類。接觸式數(shù)據(jù)采集方法接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要有基于力觸發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)掃描數(shù)據(jù)采集兩大類。 a觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法 觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集使用觸

30、發(fā)頭，當(dāng)探針接觸到樣件表面時由于針尖受力變形觸發(fā)采樣開關(guān)，其變形大小和方向可以由傳感器測出，通過芯片處理，將測出的信號反饋給計算機，通過計算機的運算，顯示出所測三維點的坐標(biāo)。逐點移動，就能采集到樣件表面輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在觸發(fā)式采集過程中，由于探針必須有一個固定的偏移量才能觸發(fā)開關(guān)，而且一旦接觸到樣件的表面后，探針需要法向推出以免受力過大而折斷，因此數(shù)據(jù)采集速度低下。對凹表面的測量不十分有效，內(nèi)腔難于測量，測量受到儀器尺寸限制。 b連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法 連續(xù)式數(shù)據(jù)采集使用模擬量開關(guān)采樣頭，因為數(shù)據(jù)采集過程是連續(xù)的，速度比點接觸式采樣頭快許多，采樣精度也較高。此外，由于接觸力較小，允許用小直徑的探針

31、去掃描具有細(xì)微部分或較軟材料制作的模型。由于采樣速度快，連續(xù)式數(shù)據(jù)采樣可以用來采集大規(guī)模的數(shù)據(jù)。 非接觸式數(shù)據(jù)采集方法非接觸式測量是一種基于光學(xué)，聲學(xué)，磁學(xué)等原理，將一定的物理模擬量通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點。使用非接觸式方式采集實物模型的表面數(shù)據(jù)時，測頭不與實物表面接觸，主要運用光學(xué)原理進(jìn)行六維數(shù)據(jù)采集。其方法主要有結(jié)構(gòu)光法（將一定模式的光，如條形光、柵格狀光，投射到被測物體表面，并捕獲光被曲面反射后的圖像，通過對圖像的分析獲得三維點坐標(biāo)），激光三角法（利用光源與影像感應(yīng)裝置(如攝像機)間的位置與角度來推算點的空間坐標(biāo)），激光測距法（將激光束的飛行時間轉(zhuǎn)化為被測點與參考平面間的距離

32、），干涉測量法，圖像分析法（利用一點在多個圖像中的相對位置，通過視差計算距離，從而得到點的空間坐標(biāo)。 在本設(shè)計中我們使用的是ATOS光學(xué)測量系統(tǒng)對現(xiàn)有實物模型進(jìn)行掃描。它屬于使用激光測量的非接觸式光柵投影掃描儀。ATOS系統(tǒng)是一種在反求工程和工業(yè)檢測中被廣泛使用的光學(xué)測量設(shè)備，它綜合了光學(xué)三角測量原理與光柵條紋位移技術(shù)原理對實物做非接觸高速測量。下面將對ATOS系統(tǒng)及做重點的介紹?！?2】2.3 ATOS三維掃描儀簡介ATOS三維掃描儀帶有兩個CCD攝像機和一個中央投影單元。ATOS的傳感器頭主要是由主光源、光柵器件組和CCD光學(xué)測量傳感器組成。傳感器頭安裝在一個可以繞著被測實物自由運動的支架

33、上，在測量時傳感器頭可以繞著被測實物任意移動。在測量時，光源可持續(xù)投影11種小同間距的光條于物體上，通過光條間距的變化，再經(jīng)過數(shù)碼影像處理器分析，在數(shù)秒內(nèi)便可得到實物表面數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維掃描高速化。它的中央投影單元部分配置了一個白色的投射燈泡和一個可規(guī)則滑動的復(fù)雜光柵。測量時，投射燈泡將規(guī)則變化的光柵投影到被測工件表面產(chǎn)生的摩爾條紋，摩爾條紋的變化被CCD鏡頭記錄下來，并轉(zhuǎn)送到計算機，經(jīng)過處理以后得到兩個CCD鏡頭分別拍攝到的兩張“三維”照片。由于兩個CCD鏡頭可以感知高達(dá) 440，000個象素，所以每一單幅照片可以采集到 1.3 萬個有效數(shù)據(jù)點。ATOS 軟件可以在瞬間處理這1.3萬個數(shù)據(jù)并精

34、確的標(biāo)定出其三維空間坐標(biāo)值。掃描后的文件時*.amp文件，經(jīng)過對齊（Align）后，可以以多種方式進(jìn)行后續(xù)處理。利用零件上預(yù)先定義的參考點，第二批點系列被轉(zhuǎn)變到首次掃描所定義的坐標(biāo)系當(dāng)中，再覆蓋在零件模型上的參考標(biāo)記點的基礎(chǔ)上，利用參考點將不同的視圖拼合到一個坐標(biāo)系中，將幾次掃描相結(jié)合，每一塊點云都可以通過所施加的參考點位置自動的進(jìn)行轉(zhuǎn)化。ATOS系統(tǒng)提供了各種不同的數(shù)據(jù)輸出格式，以適應(yīng)后續(xù)的處理的應(yīng)用情況，常見的格式有：ASCII(*.asc)，IGES(*.igs)，CLI(*.cli)，DXF，VDA/PS以及ASCII形式的STL(*.ast)和二進(jìn)制（Binary）形式的STL(*.

35、stl)。在測量大型物體時，需要分塊掃描。為了減少掃描照片的拼接誤差，利用一臺XL數(shù)碼像機與TRITOP攝影測量系統(tǒng)結(jié)合使用，使從若干不同位置掃描的曲面能按參考點自動拼接，形成一個完整的三維數(shù)字點云模型。該系統(tǒng)的掃描范圍可達(dá)10mm10m，曲面拼接精度達(dá)到0.1 mm/m。使用該系統(tǒng)測量無需編程規(guī)劃測量路徑，并且不受場地和實物、模具等位置的限制，操作方便，又由于重量較輕、體積較小，可實現(xiàn)異地測量。它不但可以用于尖角、凹槽、復(fù)雜輪廓及軟質(zhì)件的測量，而且可用于汽車、摩托車外飾件的造型和大型模具的制造。本設(shè)計所使用的ATOS系統(tǒng)的具體參數(shù)如下：（1）測量體積：1008080mm31700136013

36、60 mm3；（2）測量速率：大約1 300 000個點/秒；（3）點間距：0.081.0mm；（4）測量誤差點：0.0020.02mm。2.4 ATOS系統(tǒng)組成ATOS系統(tǒng)由硬件跟軟件兩部分組成： 硬件部分包括以下幾個部件： a.計算機跟顯示器，用于安裝測量系統(tǒng)軟件和曲面處理軟件，控制測量過程，運算得到光順曲線曲面； b. 傳感器頭：由主光源、光柵器件組和2CCD光學(xué)測量傳感器組成，用于對焦和發(fā)出掃描的光柵光束和通過檢測照射在曲面上的光點數(shù)據(jù)，獲取原型曲面的點云數(shù)據(jù)，如圖2.1所示：圖2.1 傳感器頭c. 校準(zhǔn)平板：用于校準(zhǔn)系統(tǒng)的測量精度，如圖2.2所示：圖2.2 校準(zhǔn)平板d. 支架：用于支

37、撐測量光學(xué)器件組，如圖2.3所示：e. 通訊電纜：用于將控制信號傳送到檢測系統(tǒng)，并將測量傳感器的數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)作下一步處理。圖2.3 支架及傳感器頭測量系統(tǒng)的軟件分別由Linnux操作系統(tǒng)和專用的測量及處理軟件ATOS組成2.5 ATOS系統(tǒng)工作原理ATOS是一種基于結(jié)構(gòu)光的測量系統(tǒng)，ATOS系統(tǒng)獲取3D點云的過程如圖2.3所示，即首先由光源鹵素?zé)舢a(chǎn)生編碼光柵這些光柵投影到被測樣件表面產(chǎn)生一系列圖象，這些圖象被CCD相機攝取到，然后通過圖象處理方法分析這些圖象計算被測樣件表面點的空間位置，在其軟件內(nèi)完成相位包裹和相位展開后即可得到我們需要的點云圖像。ATOS系統(tǒng)涉及光學(xué)三角原理【13】，光

38、柵條紋象移和自動拼合技術(shù)【14】【15】，本節(jié)我們主要就討論研究這幾種關(guān)鍵技術(shù)。a.光學(xué)三角原理如圖2.4所示，光源發(fā)出的光線經(jīng)聚焦透鏡后投射到被測物體表面上形成漫反射光斑作為傳感信號用透鏡成像原理將收集到的反射光匯聚到成像透鏡的焦平面上此處放置光電接收器PSD或CCD，LCD等光電敏感器件當(dāng)漫反射光斑隨被測物體表面起伏時成像光點在光電接收器上做相應(yīng)的移動。根據(jù)像移距離的大小和傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以確定被測物體表面的位置量激光束如同接觸測量的機械探針可確定被測表面測點的位置。圖2.5中i為入射光，L成像透鏡，N成像屏，f 成像透鏡的焦距，Lo 成像透鏡L的物距，Li 成像透鏡L的像距，OL 光軸

39、與入射光線i的交點，P物面上的光點，P,O分別是P，O的像點，h物面上光點相對于基準(zhǔn)面的M的高度，漫反射光入射角，M目標(biāo)平面，M參與平面。 圖2.4結(jié)構(gòu)光三維掃描原理 圖2.5光學(xué)三角原理由幾何光學(xué)原理可得： (2.1) (2.2)整理式（2.2）得： (2.3)式2. 3 中：Lo，Li ，是系統(tǒng)參數(shù)，都是固定值，這樣可以由h計算出h。當(dāng)光源投射的光點擴展成為光條時，就構(gòu)成光切法；當(dāng)多個相同的光條同時投射時，即構(gòu)成條紋投影法;當(dāng)投射的光條在時間或空間進(jìn)行編碼時，構(gòu)成編碼圖像投影法。在條紋投影中應(yīng)用三角原理求輪廓高度時，關(guān)鍵是通過分析光強分布規(guī)律，準(zhǔn)確找到條紋中心對條紋中心但其非線性誤差較大而

40、且受被測曲面傾斜和特征（如顏色，光澤等）影響嚴(yán)重其測量精度隨著入射角(激光束與被測點法向矢量間的夾角)的增大而降低，當(dāng)入射角超過一定角度時會出現(xiàn)盲區(qū)使得測量失效，一般被測面傾角不宜大于45度所以光學(xué)三角原理通常是與其他方法結(jié)合以獲得高數(shù)據(jù)獲取精度和穩(wěn)定性。 一個正弦變化的條紋投影到被測表面，從初始相位角開始，條紋按照相位角遞增的方式投影到被測表面,所以投影過程中條紋就好像滑動過整個被測表面,每個CCD像素的讀入也以正弦的方式變化，其周期與該條紋的周期相同，但是其相位角與樣件表面的高度相關(guān)。將光柵條紋投影到被測物體表面時，變形光柵像可以認(rèn)為是由于三維實物面對投影柵像的相位和振幅調(diào)制的結(jié)果。因此，

41、可以通過通信理論中的解調(diào)方法求得因高度變化引起的相位變化，由相位和高度關(guān)系求出相對參考面的高度信息。 交叉光軸測量系統(tǒng)原理如圖2.5所示。投影裝置經(jīng)光心O投射光柵像至物體表面，并取其中的一條光線OA進(jìn)行考查。當(dāng)被測實物未放在參考面上時，光線在A點反射經(jīng)CCD透鏡中心C到達(dá)CCD光敏面上一點。當(dāng)被測物存在時，對于光敏面上的同一點與光心C的連線與被測實物相交于D點，而對應(yīng)于D點的參考面上的點為B，即由于高度的調(diào)制，使得在D點的相位發(fā)生了變化。假定投影光柵光強為正弦分布，其滿足： （2.4） 則經(jīng)物面調(diào)制后為 （2.5） 式（2.4）和式（2.5）中R（x，y）為與物體表面光學(xué)特性有關(guān)的物理量： A

42、(x,y)為背景光強，B(x,y)/A(x,y)為條紋對比度，P為正旋載波間距，（x,y）為相位調(diào)制函數(shù)，包含有層面信息圖2.6交叉光軸示意圖當(dāng)采用發(fā)散光束照射光柵時，即不同的光柵級次在參考而上的條紋間距不同時，由圖2.6中的三角關(guān)系可以得到物相關(guān)系，可表達(dá)為： （2.6） + （2.7） （2.8） 其中，X、Y和Z分別表示空間點的3個坐標(biāo)：Mx,My為攝像機系統(tǒng)放大率?；谙辔粶y量的光柵條紋投影測量法中相位測量主要分為兩大類:時域相位測量和空域相位測量。時域相位測量主要是按一定的相位間隔移動投射條紋，多次采集變形光柵像，由多幀圖像求出位相的變化。典型代表方法是N步移相式輪廓術(shù)，即將正弦光柵

43、像移動相位N次，每次移動2（N+1），由采集到的N+1幅圖像求得相位值?？沼蛳辔粶y量則是主要利用數(shù)字濾波，將頻率較高的載波和頻率較低的面形分離開來，從而將面形恢復(fù)出來。對于三步時域相移測量的光柵投影條紋： （2.9） 式中Io(x,y)為信號偏移，(x,y)為光強調(diào)制，(x,y)為波形相位差異,(t)為時變相移。三步相移為： (2.10) (2.11) (2.12) (2.13) (2.14) c.自動拼合技術(shù)由于ATOS系統(tǒng)能夠從任意角度對物體進(jìn)行拍攝，因此當(dāng)拍攝角度變化時,就需要用一定的方法拼合角度變化前后所獲得的兩份數(shù)據(jù)點云。通過在物體表面附著參考點，根據(jù)兩份數(shù)據(jù)點云中共有參考點的拓?fù)湎?/p>

44、似性進(jìn)行匹配，進(jìn)而拼合整個點云 從兩個方位對零件的某一部分進(jìn)行拍攝，所分別獲得圖像的右半部分、左半部，兩個圖像中有相同的參考點顯然,如果能夠?qū)⑦@些相同點一一對應(yīng)起來，并根據(jù)它們的坐標(biāo)解出兩個方位間的坐標(biāo)變換關(guān)系，就能將從兩部分零件所采集的數(shù)據(jù)點云拼合起來，形成一段完整的零件表面形狀三維信息。辦法是將每幅圖像中的所有參考點連接成三角網(wǎng)，利用一定的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)紀(jì)錄網(wǎng)點連接的拓?fù)潢P(guān)系、每個三角形的幾何參數(shù)等信息，再對從兩幅圖像生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索比較、找出具有相同拓?fù)涮匦缘牟糠?，從而實現(xiàn)相同參考點的匹配采用泰森(Thicssen)多邊形和狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)。所謂泰森多邊形是指若區(qū)域D上有

45、n個離散點Pi(xi,yi)(1,2.,n)，將區(qū)域D用一組直線段分成n個互相鄰接的多邊形，滿足： (1)每個多邊形內(nèi)含且僅含一個離散點；(2)D中任意一點P(x,y),若位于Pi所在的多邊形內(nèi),則滿足: (2.15)(3)若P在Pi與Pj所在的兩多邊形公共邊上,則: (2.16)則這些多邊形稱為泰森多邊形用直線連接每兩個相鄰多邊形內(nèi)的離散點而生成的三角網(wǎng)稱為狄洛尼三角網(wǎng) 對所有參考點、三角形和兩點間的連線編號，然后用第一個表存儲三角形編號、全等狀態(tài)標(biāo)志、邊號及端點號，第二個表存儲邊的號碼、實際長度(參考點之間的實際空間距離)；第三個表存儲每個點的所有鄰接邊的編號根據(jù)已匹配的參考點在兩個坐標(biāo)系

46、下坐標(biāo),計算出坐標(biāo)系間的變換關(guān)系,就能將所有的點云數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)描述,從而實現(xiàn)點云的拼合理論上講,只要知道不共線的三個點在兩個坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值,就能計算出坐標(biāo)變換關(guān)系用方程組表示坐標(biāo)變換關(guān)系為:： (2.17)其中r1r3和tx,ty,tz是待求參數(shù),且r1r3帶有正交性由上式兩兩相減得: (2.18)前兩式相除并整理并變?yōu)榫卣问綖? CDD-CDDCDD-CDDCDD-CDDCDD- (2.19)對該式求解,得r1-r3將r1-r3代回式(2.17),可以得到tx,ty,tz的值,從而得出兩個坐標(biāo)系變換的全部參數(shù),從而可以實現(xiàn)自動拼合2.6 汽車方向盤實例掃描過程（1）掃描實例時的前

47、期準(zhǔn)備。本次掃描測量的具體模型是汽車方向盤實物如圖所示。由于汽車方向盤的表面反光，所以需要在其表面噴涂顯像劑；隨后在該模型上貼參考點，本次掃描過程中我們采用參考點全部粘貼在被掃描測量工件的表面來進(jìn)行掃描測量，因為這樣足以對其進(jìn)行全面的掃描。在本例中要進(jìn)行掃描的方向盤實物圖如下圖2.7所示：圖2.7 汽車方向盤實物（2）為了最終通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)兩篇點云數(shù)據(jù)的拼合，在進(jìn)行掃描之前，要對ATOS掃描儀進(jìn)行 標(biāo)定，進(jìn)行標(biāo)定的主要方法有兩種，一是對ATOS掃描頭進(jìn)行軟硬件配置，進(jìn)行數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)計算；另外一種則是通過在點云數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域貼黑圈白點，通過這樣的公共參考點的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過系統(tǒng)標(biāo)定，可得到的系

48、統(tǒng)參數(shù)如下：軟件標(biāo)定結(jié)果： 項目 標(biāo)準(zhǔn)值 標(biāo)定值 Calibration deviation(標(biāo)定偏差) 15 - 20.4/ 17.8 Height Variance (高度變化) (mm) 標(biāo)準(zhǔn)測量距離75020 % 261 Measuring volume(掃描范圍) (m3) 340 280 280 從上表可以看出ATOS系統(tǒng)標(biāo)定后滿足測量要求，掃描頭標(biāo)定完成。圖2.8汽車方向盤點云（3）測試前打開掃描頭燈泡對掃描頭進(jìn)行預(yù)熱5分鐘左右，點擊軟件上掃描鍵，可以看到光源鹵素?zé)舢a(chǎn)生一列編碼光柵從實體上掃過，通過攝像頭攝制，在軟件界面生成一張實體平面圖形。轉(zhuǎn)動定標(biāo)板，轉(zhuǎn)換到另一角度對再次掃描，

49、重復(fù)這個動作十次左右，即可在軟件界面生成一張3D點云圖，如圖2.8所示。（4）使用軟件點云處理軟件圖形后導(dǎo)出點云圖為stl格式。即可得到已經(jīng)網(wǎng)格化處理的三維點云圖，如圖所示：至此，我們通過操作ATOS掃描系統(tǒng)，得到了用于后續(xù)處理的點云圖。2.7 本章小結(jié)本章主要介紹了逆向工程中的數(shù)據(jù)測量技術(shù)，并對在本次設(shè)計中使用的ATOS三維掃描儀進(jìn)行了重點介紹。對其系統(tǒng)原理，和操作方法進(jìn)行了說明和闡述。并通過具體實例方向盤點云數(shù)據(jù)的測量詳細(xì)的介紹了該系統(tǒng)的操作和生成數(shù)據(jù)的過程。第三章 數(shù)據(jù)預(yù)處理采用激光掃描法獲取掃描對象的點云數(shù)據(jù)，不可避免含有噪聲點。產(chǎn)生噪聲的因素很多，歸納一下，主要分為兩大類：一類是被測

50、對象表面因素產(chǎn)生的誤差，譬如表面粗糙度、波紋等缺陷；另一類是由測量系統(tǒng)本身引起的誤差，譬如測量設(shè)備的精度、CCD攝像機的分辨率、振動等等。這些誤差的存在，嚴(yán)重影響了物體的外形設(shè)計和外形評價及后期模型重構(gòu)的質(zhì)量。為了精確表達(dá)由激光掃描點云重構(gòu)所得到的物體幾何外形信息，需要對激光掃描點云進(jìn)行預(yù)處理，以便得到能實現(xiàn)在規(guī)定的行位誤差范圍之內(nèi)“視覺滿意的點云數(shù)據(jù)。點云預(yù)處理的內(nèi)容主要有點云濾波及平滑處理，以及點云數(shù)據(jù)的壓縮、噪聲點去除、點云對齊等內(nèi)容。3.1點云數(shù)據(jù)的平滑處理數(shù)據(jù)平滑的目的是消除噪聲，已得到精確的模型和好的特征提取效果?？紤]無限個節(jié)點處型值的平滑問題，平滑后的型值由原型值線性迭加而成，即

51、：式中，是權(quán)因子，是偶系列。所謂數(shù)據(jù)比“平滑”，直觀上就是新數(shù)據(jù)的“波動”不超過原數(shù)據(jù)的“波動”，這種“波動”可用各階差分來度量。實際應(yīng)用時，不但要求處理后的數(shù)據(jù)要較之前的平滑，同時要求前后兩組數(shù)據(jù)的“偏離”也不能過大。點云的平滑濾波主要有以下三種方式：中值濾波法、平均值濾波法和高斯濾波法【16】【17】，分別介紹如下：（1）中值濾波法 該方法將相鄰的3個點取平均值來取代原始點，以實現(xiàn)濾波。中值濾波法采樣點的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計中值，故這種方法在消除數(shù)據(jù)毛刺方面效果較好。假設(shè)相鄰的3點分別為、和，則通過中值濾波法得到新點，如圖3.1，其中虛線所連的點代表激光掃描測得的點，直線所連的點代

52、表平滑后的點。圖3.1 中值濾波法（2）平均值濾波法 該方法將采樣點的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計平均值來取代原始點，改變點云的位置，使點云平滑。假設(shè)相鄰的3點分別為、和，通過平均值濾波法平滑得到的新點，如圖3.2，其中虛線所連的點代表激光掃描測得的點，直線所連的點代表平滑化后的點。圖3.2 平均值濾波法（3）高斯濾波法 該方法以高斯濾波器在指定域內(nèi)將高頻的噪聲濾除。高斯濾波法在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌，因而常被使用，如圖3.3所示。圖3.3 高斯濾波法3.2 點云的數(shù)據(jù)精簡非接觸式方法測量速度快，測量數(shù)據(jù)點多，在利用數(shù)據(jù)點進(jìn)行曲線、曲面

53、重構(gòu)時一般不需要過密的點云。因此，在保證一定精度的前提下，盡量減少數(shù)據(jù)量。考慮掃描設(shè)備的特性，不同類型的點云可采用不同的精簡方式，散亂點云可通過隨機采樣的方法來精簡；對于掃描線點云和多邊形點云可采用等間距縮減、倍率縮減和等量縮減等方法；網(wǎng)格化點云可采用等分密度法和最小包圍區(qū)域法進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減。數(shù)據(jù)精簡操作只是簡單地對原始點云中的點進(jìn)行了刪減，不產(chǎn)生新點。本章所講述的是均勻網(wǎng)格法，其原理是：首先把所得的數(shù)據(jù)點進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分，然后從每個網(wǎng)格中提取樣本點，網(wǎng)格中的其余點將被去除掉。網(wǎng)格通常垂直于掃描方向(z向)構(gòu)建。由于激光掃描的特點，z值對誤差更加敏感，因此，可選擇中值濾波進(jìn)行網(wǎng)格點篩選。具體步驟

54、為，先在垂直于掃描方向建立一個包含尺寸大小相同的網(wǎng)格平面，將所有點投影到網(wǎng)格平面上，每個網(wǎng)格與對應(yīng)的數(shù)據(jù)點相匹配。然后，基于中值濾波方法網(wǎng)格的某個點被提取出來，見圖3.4：圖3.4 均勻網(wǎng)格法通過均勻網(wǎng)格中值濾波法，可以有效地去除那些被認(rèn)為是噪聲的點。當(dāng)被處理的掃描平面垂直于測量方向時，這種方法顯示出良好的操作性。而且，這種方法只是選用其中的某些點，而非改變點的位置，可以很好地保留原始數(shù)據(jù)。均勻網(wǎng)格方法特別適合于簡單零件表面瑕點的快速去除。3. 3 誤差點的處理誤差點通常也稱為失真點，ATOS光學(xué)掃描儀測得的數(shù)據(jù)量非常龐大，常常帶有許多雜點、噪音點。噪音點會造成后續(xù)處理中曲面造型的失真；且過多

55、的數(shù)據(jù)點會導(dǎo)致計算機運行、存儲和操作的低效率，生成曲線曲面模型需要消耗更多的時間，過于密集的點云還會影響曲線曲面的光順性。由于曲線插補主要是采用規(guī)則數(shù)據(jù)點或截面點云，因此對于孔洞周圍的大規(guī)模散亂的點云數(shù)據(jù)，需要提取采樣點，以方便曲線插值擬合。【18】如果在同一截面的數(shù)據(jù)中，存在一個或幾個點與其相鄰的點偏距較大，我們可以認(rèn)為這樣的點是誤差點，判斷誤差點的方法有：（1）直觀檢查法 對于一些明顯的異常點和散亂點，可通過肉眼判別，直接刪除。這種方法適用于數(shù)據(jù)的初步檢查，可以從數(shù)據(jù)點中剔除一些偏差比較大的異常點，這種方法自動化程度低，處理速度比較慢，不適用于數(shù)據(jù)量特別大的情況。（2）曲線檢查法 曲線檢查法是利用最小二乘法，通過截面數(shù)據(jù)的首末點擬合曲線，檢查中間各數(shù)據(jù)點到曲線的距離是否超過允許值，來判定其是否為誤差點。曲線的階次可根據(jù)截面的形狀而定，通常為34階，如果e，為給定的允許誤差，則認(rèn)為p是壞點，應(yīng)以剔除，見圖3.2：圖3.5 點到曲線的距離（3）弦高差方法 連接待檢查點的前后兩個點，計算p到弦的距離，同樣如果e，為給定的允差，則認(rèn)為p是壞點，應(yīng)以