大型物体三维测量精度分析

2012届车辆工程专业毕业设计（论文） 前 言 逆向工程的过程主要包括数据采集、数据处理、曲面重构和CAD建模四个关键步骤。数据采集又称表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，并在此基础上，进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。数据采集是逆向工程的关键技术之一，因而高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术。数据测量是逆向工程的基础，测得的数据的质量事关最终模型质量，直接影响到整个工程的效率和质量，将直接影响后续模型重建能否顺利进行，以及最终设计结果的质量能否满足技术要求。由此可见，数据获取是逆向工程的首要前提，是重构实体CAD模型的重要保障。另外，有了产品的三维几何模型，就可以方便的进行模型再设计、快速原型制造与快速模具制造等后续工作，从而大大降低研发时间，缩短设计周期。在车身逆向设计过程中，数据采集是最基本和必要的一步。车身表面模型具有复杂的自由曲面，其设计表达或数学模型的建立是非常困难的。因此，形状测量的速度和精度在逆向工程的全过程中占有很大的比重。 综合近景摄影测量技术和光栅投影测量技术的实物数据获取方法是目前众多反向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象的最高效的方法之一。这种方法由近景摄影测量获取散布在被测物体上或周围的人工标记点群的三维坐标，再以这些坐标数据作为光栅投影分片测量点云拼接的依据，从而获取得到整体测量数据。这种综合方法既具有光栅投影测量的高效率又消除了数据拼接时的累积误差。该方法需要在被测物体表面贴两类测量标记点，一类是近景摄影测量系统和光栅测量系统都可以识别的，没有固定编号的标记点，称为非编号标记点，此类标记点只需识别其特征的中心位置；另一类是只有近景摄影测量系统可以识别的、表面特征各为不同并且有固定数字编号的标记点，称为编号标记点，这类标记点在图像识别中既需要识别其特征的中心位置，又需要识别其具体的编号代码。其中，非编号标记点的作用是作为每次光栅测量得到的点云拼合的参照。而编号标记点的作用则是通过近景摄影测量原理，根据其自身的空间坐标和两类测量标记点之间的距离关系，将不同的数字图像上的非编号标记点进行匹配，以获得贴放在物体表面上的非编号标记点的空间坐标信息，从而提高点云拼合的精度。 论文主要结合ATOS，以及辅助工具TRITOP，对近景摄影测量和光栅测量系统进行分析，介绍系统操作方法、原理。比较分析有无TRITOP照相的情况下测量的精度。 1.绪论：介绍数据采集的方式及国际国内主要使用的设备，以及各种设备的优缺点。 2.以ATOS ,TRITOP为例，介绍光学扫描仪和数码照相系统的工作原理，操作流程，并介绍二者如何统一进行测量。 3.以摩托车为例，分别采用无TRITOP照相ATOS直接扫描和ATOS结合TRITOP照相做扫描进行数据采集。 4.使用专门的数据对比软件如GEOMAGIC、GOM INSPECT将两组点云数据进行误差比对，分析采集数据的精度，得出分析报告。 5.对符合精度的点云构建三维模型。 6.得出结论。I目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 概述11.2 国内外三维测量现状21.2.1接触式数据采集方法21.2.2非接触式数据采集方法3第二章 数据采集设备介绍52.1光栅测量系统62.2 近景摄影测量系统82.3系统操作简介112.3.1扫描测量工件的前期准备112.3.2基本测量策略14第三章 数据采集173.1 结合使用TRITOP、ATOS进行测量173.1.1准备测量物173.1.2 用TRITOP照相203.1.3 用ATOS进行扫描203.2 仅用ATOS进行测量22第四章 数据精度分析234.1创建项目234.2输入点云数据234.2.1输入ATOS和TRITOP结合使用的数据234.2.2输入只用ATOS扫描的点云234.3创建对齐244.3.1创建预对齐244.3.2创建局部最佳拟合对齐244.4曲面比较264.5检测截面264.6误差分析结果274.6.1生成报告页274.6.2结果分析28第五章 三维模型构建285.1三维建模软件285.2基于CATIA的外形设计和曲面造型295.2.1数字外形编辑器295.2.2曲面重建32第六章 结论33致 谢34参考文献35摘 要着现代工业的迅速发展，逆向工程开始发挥着越来越大的作用，测量作为逆向工程的第一步，时下游的步骤起着决定性的作用。一般来说，三维表面数据的采集方法可分为接触式和非接触式两类，本文主要是非接触式测量的AT0S设备做了一些具体的介绍，并与 TRIT0P系统相结合更加精确快速的完成时整个表面的测量工作。AT0S系统是一套三维投影光学测量系统，而TRITOP系统的作用是由像片上的点坐标确定测量物体表面上的参考点的空闻几何关系。关键词：逆向工程 测量 ATOS TRITOPAbstractWith the rapid development of modern industry，reverse engineering has an increasing role in modern industryMeasurement as the first step in reverse engineering has a key influence on the own stream proceedingGenerally speaking，there are two methods in3D-surface data collection，including non-contact and contact.ATOS which is equipped with TRITOP，as an optical non-contact measurement is introduced indetail in this paper，which can fulfill the whole surface measurement task quickly and preciselyATOS is a set of 3D projection optical scanning measurement system，and the function of TRITOP is to determine spatial geometric relationship of referencepoints attached on the surface from point coordinates of photographKey words：reverseengineering；measurement；ATOS；TRITOP 第一章 绪论1.1 概述 人们能观察到的世界是一个三维世界，尽可能真切和完备地获取客观世界的三维数据才能准确和完备地刻画和再现客观世界，三维数据的获取和处理技术体现了人类对客观世界的把握能力，因而从某种程度上来说它是体现人类智慧的一个重要标志。 近年来随着计算机技术的发展，三维数据测量技术有了更广泛的应用，例如文物保护、机械加工、影视特技制作、虚拟现实、服装设计等。在文物保护方面:三维数据测量技术能以不损伤物体的手段，获得文物的外形尺寸，记录的信息完整全面，而不是象照片那样仅仅是几个侧面的图像。而且这些信息便于长期保存，便于复制、再现、传输、查阅和交流。在工业生产方面:利用三维数据测量技术获取零件表面每个点的坐标之后，就可以进行数控加工。在影视特技制作方面:利用三维数据测量技术将演员、道具、模型等的表面空间数据输入计算机中，构成与真实物体完全一致的模型，有了这些数字化模型，就可以用计算机三维动画软件对它们做进一步的特技处理。在服装制造方面:传统的服装制造，都是按照标准人形尺寸批量生产，随着生活水平的提高，人们开始越来越多地追求个性化服装设计。三维数据测量技术可以快速地测得人体的三维数据，建立人体模型，将这些数据与服装CAD技术结合就可以按每个人的具体尺寸进行服装设计，并且可以直接在计算机上观看最终的着装效果。三维数据测量技术在这些领域的广泛应用促进了这些领域的发展，同时，这些领域的进一步发展对三维数据测量技术有了更高的要求，主要包括:较低的测量成本、更快的测量速度、更高的测量精度等。然而传统的三维数据测量方法已经不能很好地适应目前的需求，例如有的测量方法需要较昂贵的设备，有的测量速度慢，有的测量精度不高，因此迫切需要低成本、高精度、方便快捷的三维数据测量方法。 “大型物体三维测量精度分析”，正是为了适应上述需求，以降低测量成本、提高测量速度和精度、增强测量的抗干扰能力和环境适应性、减少人工干预力求实现自动化为研究目标的。本文在研究基于结构光的三维数据测量方法的过程中，对所涉及的许多问题进行了研究和探索，如摄像机标定方法、光栅(结构光)图像二值化方法、光栅(结构光)索引方法、三维数据融合方法等，并使诸多算法和处理技术有机的融会于所研究的三维数据测量方法当中。1.2 国内外三维测量现状 高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工程的基础和关键技术之一。根据测量探头和表面是否接触，零件表面数据采集可分为接触式和非接触式两大类，接触式包括基于力一变形原理的触发式和连续扫描式数据采集;而非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等。1.2.1接触式数据采集方法 接触式数据采集方法包括:基于力触发原理的触发式采集和连续扫描数据采集。其简要原理和代表性设备如下:(l)触发式数据采集 触发式数据采集原理为:采样测头的探针接触到样件表面时，探针尖端受力而产生微小变形，触发采样开关，使得数据采集系统记下探针尖的坐标值，逐点移动到所需测量的点便可以采集到样件表面轮廓的坐标数据。在采集过程中，由于探针需要偏移某个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件表面后，探针需要法向退出以免过量而折断，因此数据采集速度很低。(2)连续式数据采集 连续式数据采集采用模拟量开关采样头。原理是利用悬挂在三维弹簧系统中的探针的位置偏移所产生的电感或者电容的变化，进行机一电模拟量转换。当采样头的探针沿着样件表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标位置偏移量的电流或电压信号。(3)三坐标测量机法 三坐标测量机法(CMM)，又称探针扫描法，是利用三坐标测量机的接触探头(有各种不同直径和形状的探头)逐点地捕捉样品表面数据。在接触式测量中，这是目前应用比较广泛的三维模型数字化方法之一。扫描式测头主要用来测量复杂的曲线、曲面。将CMM应用在逆向工程三维点获取时，可以人工逐点测量或用CNC做辅助，接触被测物体取得数据。使用CMM时必须设定较多的参数如探头形状、扫描间隔、误差允许量、步进距离等。当探头上的探针沿着样件表面运动时，其大小和方向由传感器测中的数据采集出，通过模拟转换，将测出的信号反馈给计算机，通过计算机运算，显示出所测量点的空间坐标，并将数据记录下来。在利用CMM进行复杂曲面产品测量时，通常采用连续扫描方式测量自由曲面，点触发式测量曲面边界及其它规则部分。三坐标测量机的优点是准确性和可靠性高，对被测样件的材质和反射性无特殊的要求，不受表面颜色的影响。缺点是测量速度慢，测量过程中存在着摩擦力和弹性变形，不适于对软质、易碎、易变形、超薄样件进行测量，对微细部分的测量受到限制。 1.2.2非接触式数据采集方法 非接触式采集是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象，如声、光、电磁等来获取物体表面的三维坐标信息。其中光学式非接触采集是现代最为常用的测量技术。（1）投影光栅法 投影光栅法，又称结构光法，是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个(多个)摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。投影光栅法可以对处于两个(多个)摄像机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。投影光栅测量技术关键是空间特征点在多幅数字图像中提取与匹配的精度与准确性等问题。有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法，有效解决了测量特征提取和匹配的问题。（2）激光三角形法 激光三角形法的基本原理是利用具有规则几何形状的激光束沿样品表面连续扫描被测表面，被测表面形成的漫反射光点被光路中安置的图像传感器吸收，根据光点在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测出被测点的空间坐标。激光三角形法是目前最成熟的，也是应用最广泛的一种方法，它的测量速度快，精度高。激光三角形法位移传感器具有非接触、体积小、重量轻、安装方便等特点，可以作为扫描测头安装在三坐标测量机上。激光扫描不仅可以测量硬质工件，而且可以测量柔软样件。激光三角形法存在的主要问题是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，存在“阴影效应”，限制了探头的使用范围;不能测量激光束照射不到的位置;扫描得到的数据量较大，需经过专门的逆向数据处理软件建立曲面模型，而且曲面的边缘和结合部分需人工处理。(3)CT扫描和核磁共振法 投影光栅法和激光三角形法虽然应用很广，但应用在某些产品的测量中，还存在着一个较大的缺陷，即无法测量物体的内部轮廓。而且如果使用快速成型机采用分层叠加方法制造产品原型，快速成型机不仅需要样件的外部轮廓数据，还需要内部轮廓数据，因而这个缺点使上述方法在工业设计中的应用范围受到了一定的限制。解决这一问题的方法之一是利用CT扫描与核磁共振技术直接获取物体的截面数据。日本的 Nakai和Malutani提出了用CT和核磁共振扫描数据重构三维数据的算法，美国的Intergraph已开发了一种能够把CT扫描数据转换成IGES数据格式输出的软件。逐层扫描的特点是可以对零件的表面和内部结构进行精确测量而不受被测物体复杂程度的限制;所获得的测量数据密集、完整，测量结果包括了零件的拓扑结构。但是，利用CT与核磁共振获取数据的精度较低，目前的最小层厚达lmm，而在这种精度下是无法做出实用的零件的。此外，CT与核磁共振的成本高，再加上可测零件的尺寸和材料都有限，因而在短时间内用于工业设计还很多困难。第二章 数据采集设备介绍 综合近景摄影测量技术和光栅投影测量技术的实物数据获取方法是目前众多反向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象的最高效的方法之一。这种方法由近景摄影测量获取散布在被测物体上或周围的人工标记点群的三维坐标，再以这些坐标数据作为光栅投影分片测量点云拼接的依据，从而获取得到整体测量数据。这种综合方法既具有光栅投影测量的高效率又消除了数据拼接时的累积误差。该方法需要在被测物体表面贴两类测量标记点，一类是近景摄影测量系统和光栅测量系统都可以识别的，没有固定编号的标记点，称为非编号标记点，此类标记点只需识别其特征的中心位置；另一类是只有近景摄影测量系统可以识别的、表面特征各为不同并且有固定数字编号的标记点，称为编号标记点，这类标记点在图像识别中既需要识别其特征的中心位置，又需要识别其具体的编号代码。其中，非编号标记点的作用是作为每次光栅测量得到的点云拼合的参照。而编号标记点的作用则是通过近景摄影测量原理，根据其自身的空间坐标和两类测量标记点之间的距离关系，将不同的数字图像上的非编号标记点进行匹配，以获得贴放在物体表面上的非编号标记点的空间坐标信息，从而提高点云拼合的精度。 按照摄影测量的实现过程主要研究了以下内容： 1. 在MATLAB平台上首先利用一系列的图像处理技术将原图像转化为含有较少干扰杂质块的二值图像。 2. 利用Zernike矩不变量和支持向量机(SVM)方法实现了编号标记点的识别。采用Hamming距离来求取识别编号标记点所需要的Zernike特征向量的维数。 3. 对标记点的粘贴方式进行约定，基于空间拓扑关系划分了Delaunay 三角网格，建立了每幅像片上非编号标记点匹配关系，对非编号标记点的匹配精确。4. 采用DLT解法计算图像的投影矩阵和标记点的三维坐标。对超定方程组采用最小二乘解法计算。 现如今非接触式数据采集已广泛被采用在逆向工程中，论文重点是通过实验认识ATOS扫描系统在有无TRITOP的情况下的精度，根据论文需要，本章介绍对ATOS和TRITOP的概况，重点分析其测量原理。 2.1光栅测量系统 ATOS系统 (AdvaneedTopometrieSensor高级外形测量传感器)是一种在逆向工程和工业检测中被广泛使用的光学测量设备，它综合了光学三角化(Triangulation)、条纹投影 (Fringeproieetion)和相位移动 (phaseshifting)等原理对实物样件做非接触高速测量。ATOS系统的传感器头主要是由两个CCD相机、一个光源(卤素灯)组成。传感器头安装在一个可以绕着被测物体自由运动的三角架上，在测量时传感器头可以绕着被测物体任意移动。 图2-1 整个ATOS系统 该扫描测量系统的原理是利用光栅投射于被测工件上，基于光学三角型原理由摄像机摄取光带影像，经数码影像处理器处理并计算出被测工件的点云坐标。该方法具有快速、非接触、高分辨率、与被测工件材料无关等优点，非常适合用于不规则曲面以及用传统方法难以测量的工件、模型和油泥模型的点云数据的获取。在测量时，光源可持续投影11种不同间距的光条于物体上，通过光条间距的变化，再经过数码影像处理器分析，在数秒内便可得到实物表面数据，实现三维扫描高速化。在测量大型物体时，需要分块扫描。为了减少扫描照片的拼接误差，利用一台XL数码像机，并与TRITOP数字式摄影测绘三维测量系统结合使用，使从若干不同位置扫描的曲面能按参考点自动拼接，形成一个完整的三维数字点云模型。由于两个CCD镜头可以感知高达44万个像素，所以每一单幅照片可以采集到113万个有效数据点， ATOS软件可以在瞬间处理这113万个数据并精确标定出其三维空间坐标值，并且测量范围可达 8*8m2，曲面拼接精度达到0.lmm/m。使用该系统测量无需编程规划测量路径，并且不受场地和实物模具等位置的限制，操作方便，又由于重量较轻、体积较小、可实现异地测量。它不但可以用于尖角、凹槽、复杂轮廓、及软质件的测量，而且可用于汽车、摩托车外饰件的造型和大型模具的制造。 ATOS是一种基于投影光栅的测量系统，ATOS系统获取3D点云的过程如图。 图2-2 3D点云获取过程即首先由光源产生编码光栅，这些光栅投影到被测样件表面产生一系列图像，这些图像被CCD相机摄取到，然后通过图像处理方法分析这些图像，计算被测样件表面点的空间位置。在使用ATOS系统测量时，样件表面点的空间位置是通过计算该点在一系列的图像中灰度变化来得到的。光源投影一系列的黑白条纹到被测样件表面，在投影的同时，与之对应的一系列图像被捕捉记录，图像每个像素都依据其对应的被测表面点是白色条纹还是黑色条纹投影到呈现亮或暗。比如通过投影五种条纹，可以得到一个五位的二进制代码用以估算每个像素。分像析处理与图产生光栅条纹光栅投影获获取图像像像相位包裹裹3D点云，接着使用相移方法确定点的空间位置。一个灰度正弦变化的条纹被投影到被测表面，且周期一般为上述黑白条纹栅距的一半。从初始相位角开始，条纹按照相位角递增的方式投影到被测表面，所以投影过程中条纹就好像滑动过整个被测表面，每个CCD像素的读入灰度也以正弦的方式变化，其周期与该条纹的周期相同，但是其相位角与样件表面的高度相关。估计参考平面和被测表面位相的差异，可以使用一个为2倍数的未知量计算出曲面高度，这个未知量可以综合相位角等数据和上面二进制代码得到的粗略结果而算出。2.2 近景摄影测量系统 图2-3 TRITOP系统TRITOP系统是一种高性能的数字式摄影测绘测量、检验物体准确的坐标值及尺寸的测量系统，这种数字照相系统提供了一种测量物体空间三维坐标的方法。借助该系统可以直接得到所标记的点 (参考点、编码点等 )坐标值，这种基于光学特性的测量可以达到很高的精度，这使得 TRITOP软件系统能够 自动、精确地将测量所得的标记点的坐标转换为物体特征坐标值。TRITOP系统是利用照相机技术来获取某些特征 标志点 (参考点、编码点等)的三维坐标，这些特征点以两种方式被数码照相机识别，通过这种识别方法 ，就可以将从每个摄像角度在可见范围内的被测物体上产生的一种圆锥形光线捕获并识别。一旦摄像角度被确定后，那些特征点的三维坐标就被确定下来 了 ，并 在 TRITOP软 件 的 窗 口中用 十 字 叉来 标 记 出来。这些复杂的计算都是由 TRITOP软件自己解决的。摄影测量时 ，是用数码相机对 已放 置好参考点、编码点(如图 5所示)和参考标尺(如图 6所示)的实物依次从不同的角度(每次间隔大约 45。)、方位对 实物进行拍照 。标定时将标尺按实物长度方向摆放，必要时可以放置两根标尺，数码相机像平 面尽量与编码参考点平 面平行，在同一地点将相机按不同角度连续拍 四张标定图片(至少同时拍到五个编码点，包括标尺上的两个点)，如图 7所示 。然后依次从不同角度拍的两幅数字图像中，通过图像 的处理识别获得 5个以上的相 同编码参考点在两幅相关图像 中的像坐标 ，然后运用摄影测量理论 ，根据两幅图像中编码点的像坐标来确定两次拍摄中相机的一个空间变换，就获得了一个 已知的 空间坐标 系 ，从 而根据 空间 的拓 扑关 系来拟合不同图像中的同一个参考点。这样经过多幅数字图像就可以获得所有参考点的在同一空间坐标系下的坐标。图2-4编码点示意图 由于各参考点位置已定，因此在两相邻数据间可以没有公共区域的情况下，ATOS系统就可以根据这些参考点，为所测得的点云进行定位，实现两相邻数据的自动拼接。这样使用者就可以随心所欲地利用ATOS系统进行数据采集而不考虑拼接问题，并且在原有的基础上减少了冗余、重复的数据，使测量精度更高，整体测量精度可以控在01mmm以下。 相对其他测量系统 ，有以下特点：测量精度高，单幅照片测量精度为 003mm，整体精度为0.1mmm；测量范围大，适合 10mm10m实物的测量；高解析度，它可精密地测量一些精细部位；速度快，用者可随意 移动测量到任何位置作高速测量 ，而所测量的数据会自动拼合，如测量摩托车的外表面从准备到完成只需 10个小时左右。 因此非常适宜对汽车、摩托车的外表面的复杂曲面的测量 。图2-5使用TRITOP测量一辆跑车图2-6输入系统的TRITOP数据2.3系统操作简介2.3.1扫描测量工件的前期准备 ATOS光学扫描仪利用数码技术对各次 自动摄取的数据通过系统标定和多组固定参考点进行拟合比较以后，自动将每部份扫描的数据进行整合，最终实现完整的三维点云图形。因此，为保证单幅扫描的点云能精度较高地拼合 在统一的坐标系中，对工件表面质量和固定参考点具有一定的要求。 (1)扫描工件表面处理 ATOS流动式光学扫描仪适合于亮而不反光的被测表面。如果被测表面颜色深(太吸光)或过亮(太反光)，则规则变化的光栅投影到被测工件表面时产生的摩尔条纹将不明显，两个 CCD照相镜头记录不到变化的摩尔条纹所反映被测工件表面高低信息或获取点云数据质量不高，则不能达到有效测量。因此，必须用白色显像剂喷涂被测工件表面或将被测工件表面涂成淡颜色，以保证两个 CCD照相镜头记录到完整的光带影像并传送到计算机，经过处理以后得到两个 CCD镜头分别拍摄到的两张“三维”照片。由于两个 CCD镜头可以感知高达 4百万个像素，所以每一单幅照片可以采集到 1.3万个有效数据点。扫描时，工件的背景颜色最好用浅黑色 ，这样背景可以不被扫描到 CAD点云数据中。 (2)固定参考点参考点粘贴于被测工件表面或被测工件周围。粘贴参考点的直径大小要合适，必须保证从斜的透视图中能看到参考点的直径范围内至少包含 610个像素，以便 ATOS系统进行识别。 图2-7 参考点直径工件的测量范围与ATOS扫描头类型相对应的最小参考点直径见下图表。参考点直径如图参考直径。在工件的扫描测量过程中，为保证两个 CCD照相镜头的单幅测量能以较小的拼合偏差合并到统一的坐标系中，两个 CCD照相镜头的单幅照片应至少能看见前面已经标识过的 3个定参考点(第一张照片除外)；若能看见 4个或更多分布好且不在一条线上已标识参考点时，ATOS扫描测量系统的自动拼合精度会更高。ATOS扫描测量系统要求固定参考点的方法：(1)参考点全部粘贴在被扫描测量工件的表面该粘贴方法能保证在被扫描测量工件的长、宽、高上，参考点有好的分布，能从不同角度的单幅测量视图中看到 3个及 3个以上的清晰参考点。参考点粘贴在被扫描工件表面，可任意搬动被扫描工件，不影响 ATOS扫描系统点云数据的拼合。缺点是在扫描测量时，粘贴参考点的地方在 3D扫描测量点云数据中为空洞，不过 ATOS测量软件在后处理过程中能将空洞位置根据周围点的数据进行填充。为了保证填充质量，通常将参考点粘贴在平面或离开边缘一定距离的小曲面上。下图所示为扫描零件本体时粘贴参考点的情况，这种粘贴方法是 ATOS扫描测量中用得较多的一种 。图2-8 参考点粘贴在被测工件上2.3.2基本测量策略 如果测量物完全处于 ATOS 测量体积之内或者只超出了一点点，在此状态下扫描测量物，操作简便快速。所需单独测量的次数也相应较少。只须确保每次当前测量里至少有3个同时也出现在上一次测量里的参考点。在扫描过程中，系统将自动生成大量相互重叠的测量结果。也就是说，由此得到许多转换偏差较低的参考点，这些参考点均有效的分布在每次单独的测量里。 图3-1为了在扫描测量物时确保其角、边界部分的扫描质量，当摆放测量头时，系统投射的条纹应该与这些部分大约呈90。这样摆放测量头的作用是：在摄取平坦表面的同时，系统能摄取到的角和边界部分的细节也更多。 适于大型测量物的策略图3-2此例显示的金属板件固定在一个特殊测量装置上，便于快速进行数字化测量。此方法适用于固定那些自我稳定性能不佳的测量物。因为必须从不同角度多次扫描该金属板件，通过按层次、合理分布在辅助装置上的参考点，在转换每次单项测量时，由此提高其转换精确度。由于参考点只分布在辅助装置上，便于更换测量物，并有效缩短进行系列测量的准备时间。 第三章 数据采集 根据设计实验的思路，首先的要做的就是采集到两组数据，一组是结合TRITOP为辅助设备的情况下用ATOS扫描测量物的到3D数据，而另一组则是只用ATOS的情况下采集到的相同被测物的3D数据。本章的重要内容就是关于这两组数据的获得过程介绍。3.1 结合使用TRITOP、ATOS进行测量3.1.1准备测量物（1） 测量物体表面处理 C1.1配合和非配合表面 为了数字化测量物体表面，在用相机记录图像的过程中，ATOS 系统投射条纹图到物体。如果图像里的条纹对比值太低，ATOS 系统就计算不出此处的三维点。比如反光的或者透明的物体表面就属于此类情况（非配合表面）。测量此类表面时，您应该事先适当处理该表面，比如喷涂二氧化钛粉末。白色无光泽的测量物表面是理想的表面（配合表面）。 C1.2透明或半透明表面 某些物体表面含有透明或半透明的材料。因为光线透射的原因ATOS 系统可能因此计算出材料里的三维点。如果没有恰当处理这些材料表面，就不能有效数字化处理该测量物。此时必须事先处理测量物表面。此时必须事先处理测量物表面。 评判表面材料是否透明，操作为以下步骤：（2） 放置参考点C 2.1 放置参考点标原则 为了正确使用参考点标，必须遵循一些基本原则： 参考点标应该放置在平面上或者只是稍稍拱曲的表面。 不要将参考点标放置在靠近边缘的地方。如果靠边缘太近，系统不能自动填补扫描的曲面里的缝隙。参考点标应该放置在离边缘“1 参考点标的 ”的范围之外。 参考点标在测量体积里应该长宽高分布合理。 从所有扫描位置看，测量点标应该在测量头里清晰可见。 测量体积里放置参考点标的数量原则是：在当前测量里至少能看见三个同时也出现在前一次测量里的参考点。 不要将参考点放置呈一条线。 图3-3 贴了点的测量物 3.1.2 用TRITOP照相 用相机从多角度照相，相机采集的是编码参考点的三维位置。在系统项目中输入采集的数据。图3-4 TRITOP、ATOS结合使用扫描 3.1.3 用ATOS进行扫描C3.1 初置摄像头如果测量头与计算机连接在一起并处于运行状态，此时切换使用数字化工作区，软件将提示是否需要自动初置测量头。点击是键确认。如果没有出现提示，此时又需要初置测量头，操作如下图所示，点击相关功能图标。 C 3.2 实时视图 确认打开了投影头灯。 显屏上相机窗口里看到的是测量头的左侧相机或右侧相机的实时视图。该实时视图对正确设定曝光时间起到重要作用。可以随时切换相机窗口，或者同时启用两个窗口（ ） 。 C 3.3 曝光时间调整 曝光时间是指测量头相机芯片纪录图像数据的时间。操作时将分别调设参考点曝光时间和曲面曝光时间。正确调整曝光时间直到实时视图里的红色区域刚好消失。可以使用图像里的调设滑轮调整曝光时间 。为了获得良好对比度，应尽量使用尽可能长的曝光时间，直到两个相机视窗里都不再存在任何曝光过度区域（实时视图里的红色区域就是曝光过度区域）C3.4 相机位置调整根据扫描部位的不同对支架进行调整可以得到对应到扫描镜头位置，调整好曝光时间点击空格键进行照相扫描。 C3.5 计算处理扫描数据，保存文件3.2 仅用ATOS进行测量 在没有TRITOP的情况下，进行扫描的步骤除了没有照相这一步外，其余的步骤是一样的。只是在扫描过程中不能出现摄像头较大位置的移动，因为每一幅扫描图都得有之前扫描的参考点，这就给扫描的速度产生了较大影响。第四章 数据精度分析 为了将采集的数据进行精度分析，我们通过专业分析软件GOM INSPECT进行扫描误差对比分析。4.1创建项目 打开GOM INSPECT软件，创建新的项目，输入扫描计算后的STL格式文件。 点击文件,选择子菜单下面的新建项目。再点击文件，选择保存，选择好地址之后将文件命名。4.2输入点云数据4.2.1输入ATOS和TRITOP结合使用的数据 点击文件，选择输入，将结合使用ATOS和TRITOP的点云输入，选择好文件后会出现如下图示对话框，在目标元素类型中选择“CAD实体”。4.2.2输入只用ATOS扫描的点云 同样点击输入文件，在目标元素类型中选择“网格”4.3创建对齐 输入两组数据后点击对齐按钮，此时对话框会弹出供选择的对齐方式。4.3.1创建预对齐 点击预对齐后，经过电脑计算数秒后点击确认按钮，看到之前的没有对齐结果已显示为预对齐1，这正是之前创建的对齐的名称。创建预对齐之后可以得到两组点云基本重合在一起，肉眼几乎看不到两者之间的间隙。4.3.2创建局部最佳拟合对齐同时我们还可以创建局部最佳拟合对齐，由于发动机在整个摩托车逆向设计中的重要位置，我们选择通过发动机的面创建局部最佳拟合对齐，这样两组数据对齐的效果会更好。对齐完成后我们可以看到对齐后偏差。点击确认后我们可以在这个对齐的基础上进行检测截面、CAD曲面检测以及生成报告页等一系列操作。由于发动机在摩托车中的重要位置，而且通过选择通过发动机的截面做最佳拟合对齐时的到的偏差较小，下面的截面检测和曲面比较都将选择基于局部最佳拟合的情况下操作。4.4曲面比较点击曲面比较按钮，界面上显示出两种供选择的曲面比较方式，由于实验是已经得知带有近景摄影的点云精度会更高，所以我们选择了CAD上的曲面比较，点击之后，系统会自动计算。 4.5检测截面点击创建曲面检测按钮，弹出对话框，对检测截面进行设置图 检测截面设置设置好检测截面的位置后，点击创建并关闭，电脑会计算并显示截面的误差。4.6误差分析结果4.6.1生成报告页 点击生成报告页按钮，会弹出对话框如下图所示，选择创建报关页，系统会自动生成报告页。 点击主菜单中的文件，选择输出，可以以不同形式输出生成的报告页，之前插入的图片就是选择了输出的PDF格式文件的图片.4.6.2结果分析根据前面的检测报告图片我们可以知道，单独使用ATOS的情况比结合TRITOP使用时误差大0.7mm左右，根据厂商提供TRITOP的资料可知，结合使用TRITOP时，测量1m的物体误差在0.125mm以内，这个误差比单独使用ATOS时至少缩小三十分之一。另外，对于一些精度要求较高的零件，在逆向设计时，点云误差要求在0.5mm以内，而单独使用ATOS是根本无法完成的，在对大过ATOS摄像头一次性体积3倍物体进行测量时，使用TRIOP能在很大程度上减少拼接点云是产生的累计误差。点击创建后系统自动计算误差，得到如下结果第五章 三维模型构建 针对ATOS在逆向工程中的广泛应用这一现状，本论文特别介绍一下通过点云重建三维模型的操作。5.1三维建模软件 目前三维建模软件比较多，基于汽车市场，近年来CATIA 加大了国内推广力度，已逐渐成为国内汽车制造业的主导CAD软件。 CATIA是法国达索公司开发的CADCAECAMPDM集成化高端应用系统，在计算机辅助设计集成化平台领域处于领导地位。CATIA起源于航空工业，专长复杂模型设计，被广泛应用于航空、汽车制造、造船、机械制造、电子电器以及消费品行业，其集成化的解决方案基本覆盖了所有产品设计、分析与制造领域，能很好地满足工业领域中各类企业的数字化设计需求，包括工业设计、机械设计、机构仿真、工程分析、NC加工、产品数据管理等。5.2基于CATIA的外形设计和曲面造型 CATIA V5具有强大的曲面设计功能，它为使用者提供了丰富的工具，用于创建和修改各种复杂曲面。同时，它还可以把创建的点，线和曲面等特征用于机械零件设计。曲面设计模块包含多个模块，通过点云重建曲面主要用到的是创成式曲面设计平台、数字外形编辑器、快速曲面重建。5.2.1数字外形编辑器 数字外形编辑器是一个逆向设计工作平台，设计者可以在这里导入三维扫描原型得到的点云数据。在此工作台可以对点云做预处理，包括删除、过滤等，并将处理后的点云三角网格化。(1) 导入点云 单击按钮，弹出对话框如图所示，选择好文件点击应用，确定。此时界面会显示整个点云数据。(2) 激活点云为了在重建曲面时旋转、移动点云时更轻松方便，我们只需要激活部分点云，点击按钮，按照下面的对话框选择需要激活的点云，比如我们在对坐垫部分重建曲面时，按照对话框选择好后，就得点击点云，然后再在坐垫周围选择点将其构成多边形将其包围起来。然后点击确定，这样显示的就是只有坐垫部分的点云。 5.2.2曲面重建