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1、1.3 逆向工程中的关键技术1.3.1 数据采集技术 目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式(Contact)和非接触式（Non-contact）两种。 接触式包括三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，CMM）和关节臂测量机；而非接触式主要有基于光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析
2、法以及基于声波、磁学的方法等。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。目前，还没有找到一种完全使用于工业设计逆向测量方法。各种数据采集方法分类如图1.3所示。 在接触式测量方法中，CMM是应用最为广泛的一种测量设备；CMM通常是基于力-变形原理，通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生变形，检测出接触点的三维坐标，按采样方式又可分为单点触发式和连续扫描式两种。CMM对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的测量精度（0.5m），对物体边界和特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲
3、面的规则零件反求特别有效。主要缺点是效率低，测量过程过分依赖于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略与路径。计算机断层扫描X射线法激光三角法激光测距法非接触式结构光法光学法图像分析法超声波法声波法核磁共振法磁学法机关节臂测量机CMM激光追踪层析法组合式接触式逆向工程数据采集方法图1.3 逆向工程数据采集方法分类随着电子技术、计算机技术的发展，CMM也由以前的机械式发展为目前的计算机数字控制（CNC）型的高级阶段。目前，智能化是CMM发展的方向。智能测量机的研究是利用计算机内的知识库与决策库确定测量策略，其关键技术包括零件位置的自动识别技术、测量决策智能化和测量路
4、径规划、CAD/CAM集成技术等。随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展，该方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。一般常用的非接触式测量方法分为被动视觉和主动视觉两大类。被动式方法中无特殊光源，只能接收物体表面的反射信息，因而设备简单，操作方便，成本低，可用于户外和远距离观察中，特别适用于由于环境限制不能使用特殊照明装置的应用场合，但算法较复杂；主动方法使用一个专门的光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，使系统获得更多的有用信息，降低问题难度。被动式非接触测量的
5、理论基础是计算机视觉中的三维视觉重建。根据可利用的视觉信息，被动视觉方法包括由明暗恢复形状（Shape From Shading，SFS）、由纹理恢复形状、光度立体法、立体视觉和由遮挡轮廓恢复形状等，其中在工程中应用较多的是后两种方法。立体视觉又称为双目视觉或机器视觉，其基本原理是从两个（或多个）视点观察同一景物，以获取不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差（即视差）来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。双目立体视觉的原理如图1.4所示，其中P是空间中任意一点，C1、C2是两个摄像机的焦点，类似于人的双眼，P1、P2是P点在两个成像面上的像点。
6、空间点P、C1、C2形成一个三角形，且连线C1P与像平面交于P1点，连线C1P与像平面交于P2点。因此，若已知像点p1、p2，则连线C1P1和C2P2必交于空间点P，这种确定空间点坐标的方法称为三角测量原理。图1.4 立体视觉原理图 一个完整的立体视觉系统通常由图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、深度确定和内插6部分组成。由于它直接模拟了人类视觉的功能，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息；而且通过采用高精度的边缘提取技术，可以获得较高的空间地位精度（相对误差为1%2%），因此在计算机被动测距中得到广泛应用。但立体匹配始终是立体视觉中最重要的也是最困难的问题，其有效性有赖于三个问题的
7、解决，即选择正确的匹配特征，特征间的本质属性及建立能正确匹配所选特征的稳定算法。虽然已提出了大量各具特色的匹配算法，但场景中光照、物体的几何形状与物理性质、摄像机特性、噪声干扰和畸变等诸多因素影响，至今仍未有很好地解决。利用图像平面上将物体与背影分割开来的遮挡轮廓信息来重构表面，称为遮挡轮廓恢复形状，其原理如图1.5中所示。将视点与物体的遮挡轮廓线相连，即可构成一个视锥体。当从不同的视点观察时，就会形成多个视锥体，物体一定位于这些视锥体的共同交集内。因此，通过体相交法，将各个视锥体相交便得到了物体的三维模型。图1.5 体相交法原理 遮挡轮廓恢复形状方法通常由相机标定、遮挡轮廓提取以及物体与轮廓
8、间的投影相交三个步骤完成，而且遮挡轮廓恢复形状方法在实现时仅涉及基本的矩阵运算，因此具有运算速度快、计算过程稳定、可获得物体表面致密点集的优点。缺点是精度较低，难以达到工程实用的要求，目前多用于计算机动画、虚拟现实模型、网上展示等场合，而且该方法无法应用于某些具有凹陷表面的物体。如美国Immersion公司开发了Lightscribe系统，该系统由摄像头、背景屏幕、旋转平台及软件系统组成。首先对放置在自动旋转平台上的物体进行摄像，将摄得的图像输入软件后利用体相交技术可自动生成物体的三维模型，但对于物体表面的一些局部细节和凹陷区域，该系统还需要结合主动式的激光扫描进行细化。随着主动测距手段的日趋
9、成熟，在条件允许的情况下，工程应用更多使用的是主动视觉方法。主动视觉是指测量系统向被测物体投射出特殊的结构光，通过扫描、编码或调制，结合立体视觉技术来获得被测物体的三维信息。对于平坦的、无明显灰度、纹理或形状变化的表面区域，用结构光可形成明亮的条纹，作为一种“人工特征”施加到物体表面，从而方便图像的分析和处理。根据不同的原理，应用较为成熟的主动视觉方法又可分为激光三角法和投影栅法两类。激光三角法是目前最成熟，也是目前应用最广泛的一种主动式方法。激光扫描的原理如图1.6所示。由激光发出的光束，经过一组改变方向的反射镜组成的扫描装置变向后，投射到被测物体上。摄像机固定在某个视点上观察物体表面的漫射
10、点，图中激光束的方向角和摄像机与反射镜间的基线位置是已知的，可由焦距f和成像点的位置确定。因此，根据光源、物体表面反射点及摄像机成像点之间的三角关系，可以计算出表面反射点的三维坐标。激光三角法的原理与立体视觉在本质上是一样的，不同之处是将立体视觉方法中的一个“眼睛”置换为光源，而且在物体空间中通过点、线或栅格形式的特定光源来标记特定的点，可以避免立体视觉中对应点匹配的问题。激光三角法具有测量速度快，而且可达到较高的精度（0.05）等优点，但存在的主要问题是对被测物体表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，存在由遮挡造成的阴影效应，对突变的台阶和深孔结构容易产生数据丢失。图1.6 激光三角法原理
11、在主动式方法中，除了激光以外，也可以采用光栅或白光源投影。投影光栅发的基本思想是把光栅投影到被测物体表面上，受到被测物体表面高度的调制，光栅投影线发生变形，变形光栅携带了物体表面的三维信息，通过解调变形的光栅影线，从而得到被测表面的高度信息，其原理如图1.7中所示。入射光线P照射到参考平面上的A点，放上被测物体后，P照射到物体上的B点，此时从图示方向观察，A点就移动到新的位置C点，距离AC就携带了物体表面的高度信息Z=h（x,y），即高度受到了表面形状的调制。按照不同的解调原理，就形成了诸如莫尔条纹法、傅里叶变换轮廓法和相位测量法等多种投影光栅的方法。图1.7 投影光栅法原理图投影光栅法的主要
12、优点是测量范围大、速度快、成本低、且精度较高（0.04）；缺点是只能测量表面起伏不大较平坦的物体，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往会发生相位突变，使测量精度大大降低。总的来说，精度与速度是数字化方法最基本的指标。数字化方法的精度决定了CAD模型的精度及反求的质量，测量速度也在很大程度上影响着反求过程的快慢。目前，常用的各种方法在这两方面各有优缺点，且有一定的适用范围，所以在应用是应根据被测物体的特点及对测量精度的要求来选择对应的测量方法。在接触式测量方法中，CMM是应用最广泛的一种测量设备；而在非接触式测量方法中，结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法，在工业界广泛应用，德国GOM公
13、司研发的ATOS测量系统及Steinbicher公司的COMET测量系统都是这种方法的典型代表。表1.1对CMM与激光扫描数字化测量方法进行了全面比较，从表中可以清楚的看出，每一种测量方法都有其优势与不足，在实际测量中，两种测量技术的结合将能够为逆向工程带来很好的弹性，有助于逆向工程的进行。表1.1 三坐标测量和激光扫描测量优缺点比较三坐标测量数据采集激活扫描测量数据采集优点数据收集精度高；可使用的技术广泛；具备在一定遮挡场合进行数据收集的能力；收集的离散点集CAD软件处理容易；不会破坏数字化对象数字化速度快，整个测量过程时间短；收集的数据密度大，有助于改善建模的可视化和细节分析无须过多的数据
14、收集预先规划；不破坏数字化对象；可以对柔软或易碎对象进行测量缺点测量过程周期长，探头半径补偿繁琐；不能对物体内部实现测量；对软工件或易碎件实现测量的能力有限；测量前必须制定相应的测量规划和策略；探头的半径大小限制了对工件细部特征的测量要实现对高反射光或发散光的工件表面进行测量，需要使用着色剂；不能对物体内部或者被遮挡的几何特征进行测量；许多CAD软件往往不易处理测量所获取的高密度离散几何数据；技术成本高；扫描设备需要与被测对象隔开一定的距离，增大整个系统的工作空间目前，除了充分发挥现有数字化方法的特点与优势外，一个重要的研究方向就是以传感器规划和信息融合为基础，开发多种 数字化方法的联合使用方
15、法与集成系统，其中CMM与视觉方法的集成由于在测量速度，精度与物理特性等方面具有较强的互补性，是目前最具有发展前景的集成数字方法。但如何提高集成过程中的自动化、智能化程度，以下一些关键问题值得进一步研究：（1）基于视觉技术的边界轮廓和物体特征的识别方法；（2）CMM智能化测量技术；（3）高效的多传感器数据融合方法；（4）考虑后续的模型重建的要求，数字化过程与表面重构的集成化研究。1.3.2 CAD建模技术 产品的三维CAD建模是指从一个已有的物理模型或者实物零件产生出相应的CAD模型的过程，包括物体离散数据点的网格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整个逆向过程中最关键、最复杂的一环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模型支持。其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学
