引言

逆向工程(ReverseEngineering,RE）也被稱為反向工程,是將已有的實物模型的形狀幾何進行逆向轉變成為工程設計模型和概念模型,并以此為基礎對產(chǎn)品進行解剖、優(yōu)化和再創(chuàng)造的一種應用技術組合。

Imageware軟件是由美國EDs公司研發(fā)的逆向工程軟件,被廣泛應用于航空航天和汽車制造業(yè),甚至應用于計算機零部件設計領域。Imageware軟件主要產(chǎn)品有:（1）surfacer逆向工程工具和ClassI曲面生產(chǎn)工具:(2）Verdict對測量數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)進行對比評估:(3）Buildit用于提供實時測量能力,驗證產(chǎn)品的制造性:（4）RPM快速成型數(shù)據(jù)。Imageware逆向流程遵循點一曲線一曲面原則,根據(jù)數(shù)據(jù)能夠構建高品質的曲面。

1點云數(shù)據(jù)預處理

1.1數(shù)據(jù)采集

逆向工程的首要任務是獲取實物模型的三維信息,數(shù)據(jù)質量對曲面的重構和制造起著決定性作用。近幾年根據(jù)獲取方式的不同,物體表面三維數(shù)據(jù)的獲取大致可以分為兩大類:接觸式數(shù)據(jù)獲取和非接觸式數(shù)據(jù)獲取。本文采用三維掃描儀進行點云數(shù)據(jù)的獲取。

1.2點云數(shù)據(jù)預處理

由于外界環(huán)境,如細微的震動、空氣流動、溫度的影響而引起的噪聲以及光束本身的性質即離散性,使得數(shù)據(jù)采集接收到不同的物體返回的反射光束而產(chǎn)生噪聲。噪聲點大致分為:（1）漂移點:（2）孤立點:（3）冗余點。這3種可直接利用Imageware軟件進行點處理。Imageware軟件對點云數(shù)據(jù)的處理主要包括點云數(shù)據(jù)精簡、多邊形網(wǎng)絡化處理、點云分割。

1.3曲面重構

曲面重構是三維重建的一個重要研究領域。曲面重構的目的就是恢復實物模型的曲面形狀,使得重構的曲面形狀盡可能反應三維模型的表狀特征。前在點云生成曲面的過程中,采用Berzier曲面為基礎的曲面構造方案。

2實驗內容

三維激光掃描技術可以真實地描述被掃描物體的整體結構及形態(tài)特征,快速準確地生成三維數(shù)據(jù)模型,相比于三維坐標測量機,其對測量物體磨損更少,測量費用更低,并能夠更快獲取三維數(shù)據(jù)。

本研究采用雙目藍光高精度三維掃描儀（NanKe3D-BI）,如圖1所示。該掃描儀采用藍色光柵掃描技術,具有以下優(yōu)勢:（1）應用場合廣,掃描時不受環(huán)境光源干擾,可直接掃描物體反光面及暗面:（2）掃描速度快,單面掃描時間小于5s,掃描小型零部件僅需要幾分鐘:（3）高精度,高保真,可生成密集的點云數(shù)據(jù),即使是復雜表面,數(shù)據(jù)捕捉也可清晰表達。

圖1NanKe3D-B1掃描儀

2.1點云處理

由NanKe3D-BI掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)高達幾百萬個,為了后期更好、更快地處理點云,對點云進行處理是模型重構前的重要階段,直接影響模型重構的質量。點云處理階段具體包括點云數(shù)據(jù)的精簡、多邊形網(wǎng)絡化處理、點云分割等操作,以提高建模效率,優(yōu)化模型質量。

（1）點云數(shù)據(jù)精簡。在Imageware軟件中通過【評估】一【信息】一【對象】查看原始點云數(shù)據(jù)量,點云數(shù)據(jù)量巨大,原始點云圖如圖2所示。采用均勻采樣方式可使點云數(shù)據(jù)量壓縮89%,如圖3所示,大大加快了后續(xù)的操作速度,有效提高了建模效率。

圖2原始點云圖

圖3簡化后的點云圖

（2）多邊形網(wǎng)絡化處理。在實際應用中發(fā)現(xiàn),點云數(shù)據(jù)非常不容易顯示出對象的特征形狀,通過對點云數(shù)據(jù)進行多邊形網(wǎng)絡化處理,可以使用戶了解點云成型后的特征,并且方便建模。在1mageware軟件中通過【構建】二【三角形網(wǎng)絡化】二【點云三角形網(wǎng)絡化】,使點云數(shù)據(jù)可視化,如圖4所示。

圖4可視化點云

(3）點云分割處理。為了方便構建三維模型,根據(jù)曲率將物體安全帽分為上部分圓形大面部分和帽檐部分。在1mageware軟件中通過【評估】二【曲率】二【點云曲率】進行曲率計算;通過【構建】二【特征線】二【根據(jù)色彩抽取點云】,【修改】二【抽取】二【圈選點】進行點云分割,如圖5所示。

圖5點云分割圖

2.2點到線的處理階段

此階段主要目標是由點構造出曲線,主要分為兩大類:(1）根據(jù)原始點云數(shù)據(jù)結構手動構建;(1）利用1mageware軟件提供的擬合功能自動創(chuàng)建。在初始曲線生成后,需要對曲線進行合理化處理,以滿足精度要求。采用公差擬合曲線的方式,如圖6所示。

圖6擬合曲線圖

2.3線到面的處理階段

在曲面重構過程中有兩方面尤為重要,首先是曲面的光順度,其此是曲面與點云的重合度。曲面的光順度主要由曲線的光順度決定。此階段目的主要是為生成曲面做準備,在擬合曲面之前還需要對曲線進行改變起始點、協(xié)調曲線方向、重新參數(shù)化曲線等操作,保證曲面的光順度和曲面與點云的重合度。

(1）改變起始點。本例曲線為閉合曲線,需要調整曲線的起始點,通過一條參考直線將參考線與若干條曲線設為起始點。

(2）協(xié)調曲線方向。進行曲線方向一致性的調整,在擬合曲線時應考慮曲線方向,使得在執(zhí)行"放樣曲面"命令時,曲面能夠沿著正確方向從一側擬合到另一側,避免出現(xiàn)曲面扭曲、翻轉等。

(3）重新參數(shù)化曲線。曲線有方向、節(jié)點、始末點、控制點等要素,尤其要合理設置控制點數(shù),控制點數(shù)太少可能使曲線丟失特征;控制點數(shù)太多會造成曲線不平滑,產(chǎn)生褶皺。本實驗控制節(jié)點設置為20。

參數(shù)化前后的曲線分別如圖7、圖8所示。

圖7原始曲線

圖8參數(shù)化后曲線

2.3曲面重構

在1mageware軟件中曲面建模方式有很多種,包括由點創(chuàng)建曲面、由點云特征手動創(chuàng)建曲線再經(jīng)過一定變換生成曲面等。在此次實驗中,采用通過Bezier曲面構造頭盔曲面。

Berzier曲面的s(u,w）是控制特征網(wǎng)絡的大致形狀的函數(shù),P(u,w）是逼近特征的網(wǎng)格多面體的數(shù)學模型,控制頂點Pij(i=0,1,1,3,…,n）分別沿著u和w方向構成m+1和n+1個控制多邊形,一起組成曲面的特征多面體或控制特征網(wǎng)絡,參數(shù)方程為:

通過Berzier曲面最終形成一個完成的曲面,如圖9所示。

圖9頭盔曲面完成圖

2.4曲面品質評估

頭盔的曲面重構品質評估主要分兩個方面:一個是頭盔曲面與點云的擬合度,另一個是頭盔曲面的光順性。將頭盔曲面與原始點云數(shù)據(jù)進行比較,擬合最大誤差為0.311mm,平均誤差為m.m36mm,符合點云擬合度要求:光順性檢測采用曲率分析,采用反射線檢查的方式,如圖1m所示,等高線不相交,滿足曲面光順性要求。

圖10曲面光順分析

3結語

本文結合逆向工程技術,研究了物體的非接觸式測量技術和曲面重構技術。針對以光電非接觸式測量方式和三維重構這兩個研究熱點,以頭盔的整體表面為研究對象,使用高精度三維激光掃描儀獲得點云數(shù)據(jù),利用逆向工程軟件Imageware進行點云預處理,運用Berzier曲面重構理論,最終得到高精度的頭盔完整曲面,擬合最大誤差為0.311mm,平均誤差為0.036mm,實現(xiàn)了物體逆向制作的快速設計和研發(fā),大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期,具有一定的實際應用價值。