逆向工程的數(shù)據(jù)處理技術(shù)簡(jiǎn)析
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摘要：目前，逆向工程中的曲面數(shù)字化測(cè)量前提，是要提取對(duì)象表面的三維信息，其實(shí)質(zhì)即對(duì)被測(cè)實(shí)體輪廓信息進(jìn)行數(shù)字化。在逆向工程的測(cè)量流程中，測(cè)量數(shù)據(jù)處理是極其重要的一環(huán)，處理的效果將直接影響到整個(gè)產(chǎn)品模型的逆向工程的時(shí)間的長(zhǎng)短。獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞直接影響到對(duì)被測(cè)實(shí)體進(jìn)行描述的準(zhǔn)確、完整程度，而影響到重構(gòu)的CAD曲面、實(shí)體模型的質(zhì)量，并最終影響到制造出來的產(chǎn)品，是否能夠真實(shí)地反映原始實(shí)體模型。
論文關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù),測(cè)量,處理
一、 數(shù)據(jù)獲取技術(shù)
要實(shí)施逆向工程，首先就要提取對(duì)象表面的三維信息，其實(shí)質(zhì)即對(duì)被測(cè)實(shí)體輪廓信息進(jìn)行數(shù)字化。產(chǎn)品表面數(shù)字化，指通過特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法，將物體的表面形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)和制造。因而，高效、高精度地實(shí)現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集，是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞直接影響到對(duì)被測(cè)實(shí)體進(jìn)行描述的準(zhǔn)確、完整程度，而影響到重構(gòu)的CAD曲面、實(shí)體模型的質(zhì)量，并最終影響到制造出來的產(chǎn)品，是否能夠真實(shí)地反映原始實(shí)體模型。
目前，逆向工程中獲取數(shù)據(jù)的方法主要有接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)深怺43]。接觸式測(cè)量主要特點(diǎn)是使用的測(cè)量傳感器與被測(cè)物體表面接觸；非接觸式測(cè)量根據(jù)測(cè)量原理不同，大致有光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等方式，主要是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物體現(xiàn)象來獲取其三維信息，見圖1。在非接觸式測(cè)量中，應(yīng)用光學(xué)原理發(fā)展起來的現(xiàn)代三維形狀測(cè)量方法應(yīng)用最為廣泛。光學(xué)測(cè)量一般是基于三角法測(cè)量原理，可分為點(diǎn)測(cè)量、線測(cè)量及面測(cè)量三種。非接觸探頭一般用于不規(guī)則曲面的測(cè)量，因?yàn)椴灰?guī)則曲面對(duì)于接觸式探頭的半徑補(bǔ)償相當(dāng)不易，而且測(cè)量速度相當(dāng)慢。隨著 CCD 等光電器件的快速發(fā)展，產(chǎn)生了以三角法測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)的快速輪廓視覺測(cè)量技術(shù)。視覺測(cè)量一般使用三種激光光源：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面條紋結(jié)構(gòu)光，現(xiàn)今應(yīng)用最廣的是掃描線結(jié)構(gòu)光。
圖1 實(shí)物數(shù)字化方法
各種測(cè)量方法在測(cè)量精度、速度等方面都不盡相同。對(duì)于逆向測(cè)量而言，數(shù)據(jù)測(cè)量應(yīng)滿足下面的要求：
1.采集的數(shù)據(jù)應(yīng)滿足工程的實(shí)際需要，如汽車工業(yè)，其最終的整體精度不能低于0.1mm/m。
2.快速的數(shù)據(jù)采集速度，盡量減少測(cè)量在整個(gè)逆向工程中所占的時(shí)時(shí)間。
3.數(shù)據(jù)采集要有良好的完整性，不能有缺漏，以免給后續(xù)的曲面重構(gòu)帶來障礙。
4.數(shù)據(jù)采集中不能破壞原型。
5.盡可能降低測(cè)量成本。
二、 數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)
對(duì)得到的測(cè)量數(shù)據(jù)在CAD模型重構(gòu)以前，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行一些必要的處理，為曲面重構(gòu)過程做好準(zhǔn)備，即點(diǎn)云預(yù)處理。主要包括散亂點(diǎn)排序、多視拼合、誤差剔除、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、特征提取和數(shù)據(jù)分塊這幾個(gè)方面，其流程圖如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程
1.多視數(shù)據(jù)拼合[
無論是何種數(shù)字測(cè)量方法，希望通過一次測(cè)量完成整個(gè)待測(cè)件的數(shù)字化是很困難的。通常的作法是對(duì)待測(cè)件重新定位，以不同基準(zhǔn)獲取試件不同方位的表面信息，這樣就獲得多視數(shù)據(jù)。多視拼合的過程，就是將多視數(shù)據(jù)變換到同一坐標(biāo)系中，然后對(duì)兩數(shù)據(jù)塊的重疊區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而形成被測(cè)對(duì)象的完整數(shù)據(jù)描述。對(duì)同一物體的多視點(diǎn)云拼合，一直有兩種處理方法：
1）對(duì)點(diǎn)進(jìn)行處理，即直接對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行拼合，再重構(gòu)出原型；
2）對(duì)各視圖進(jìn)行局部構(gòu)造幾何形體，最后拼合這些幾何形體。
基于點(diǎn)拼合的最大優(yōu)點(diǎn)是能對(duì)物體所求得的各個(gè)面有總體上的了解和把握，能獲得拓?fù)渖弦恢碌臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，盡管該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能是龐大的，但這種一致性是基于面的拼合難以達(dá)到的。目前，多視數(shù)據(jù)間重疊數(shù)據(jù)如何有效及合理融合是逆向工程中的難點(diǎn)之一。
2.特征提取
特征提取主要是從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取出便于生成特征曲線和特征曲面的特征點(diǎn)。特征主要是指對(duì)曲面建模有關(guān)鍵影響的一些局部曲面或曲線，它們對(duì)重構(gòu)模型的品質(zhì)有著舉足輕重的作用。測(cè)量數(shù)據(jù)在經(jīng)過濾波、精簡(jiǎn)等處理后，接下來就要提取線特征。特征提取也是濾波的一種，方法主要是根據(jù)給定的曲率變化梯度門限，推斷和尋找點(diǎn)云中的邊界、棱邊、坑孔等突變特征，用于后續(xù)建模時(shí)的區(qū)域劃分。方法如：弦偏差法，角偏差法。
3.數(shù)據(jù)分塊[
逆向工程中，反求對(duì)象的復(fù)雜表面通常包括多個(gè)不同類型的表面片，整體曲面的擬合往往較難以實(shí)現(xiàn)，通常采用分片曲面的拼接來形成整塊曲面。數(shù)據(jù)分割就是根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的子曲面類型，將屬于同一個(gè)子曲面類型的數(shù)據(jù)分成一組。將全部數(shù)據(jù)劃分成代表不同曲面類型的數(shù)據(jù)域，在后續(xù)的曲面模型重建時(shí)，先分別擬合單個(gè)曲面片，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，即模型重建。以某汽車覆蓋件為例[50]，其點(diǎn)云分塊如圖3所示。
圖3 點(diǎn)云分塊圖
對(duì)圖3中的單一特征塊的特征識(shí)別后，可以將該模型的各個(gè)部分按特征類型歸納為五類：平面、拉伸面、旋轉(zhuǎn)面、直紋面、掃成面。具體來說，塊1為掃成面，塊2、3、4為拉伸面，塊5、6、8、9、14、16為單一的平面，塊11、12為組合平面，塊7、10、13、17為直紋面，塊15是個(gè)很小的旋轉(zhuǎn)面。
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