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上海大学 硕士学位论文 基于逆向工程的车身设计应用研究 姓名：林成辉 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及自动化 指导教师：鞠鲁粤 20090101 上海人学硕上学位论文 摘要 汽车工业是一个技术高度密集的成熟产业，是当今许多高新技术的载体，而 产品开发是汽车工业技术的核心。经过近十来年的高速发展，我国的汽车工业综 合技术开发水平已经有了很大提高，紧跟国际汽车发展潮流。计算机与信息技术 在汽车开发中得到越来越广泛的应用。 随着计算机技术和信息技术的飞速发展，其应用范围也越来越广，汽车车身 设计由此进入了三维几何建模时代。由于三维设计c a d 软件的逐步普及和c a d 数据 标准的同渐丰富和完善，对车身曲面数学模型的质量要求越米越高。但就总体而 言，与国外高水平相比，我国的汽车开发技术还存在相当大的差距。我们应用现 代技术进行车身数字模型设计工作仅仅是刚刚开始，许多技术仍在探索中，有些 国外技术我们引进后应用得不成熟，有待于吸收和推陈出新。例如曲面光顺技术、 计算机检测评价技术及车身数字曲面模型的实物快速原型技术等等。 本文的目的是在扫描车身点云数据到建构、检验、修改数字模型的这条技术 路径中，寻找出一种高效、简便、优质的逆向工程设计方法，依据国内外提出的 曲面光顺理论算法，寻求软件模块间合理的搭配组合和较好的数据处理方法，更 好地处理点云数据建立车身的数字模型。论文主要包括： 1 对当前曲面数据采集方法的特点进行分析；重点阐述了a t o s 三维非接触 式扫描仪的工作原理，以及用其准确采集大范围数据点时的应注意的问题以及处 理对策。给出了由其测得的车身模具的部分数据点云图。 2 对测量数据点的处理如：噪声点的过滤、平滑、精简等进行了研究。根据 散乱点云数据的特点，提出了一种新的噪声过滤方法。在对常见点云精简方法的 基础上，提出一种基于曲率特征的数据精简方法，提高了点云精简效率。 3 简要介绍常见曲线曲面的数学模型，根据轿车覆盖件的外形特点，选择 n u r b s 理论作为曲线曲面重建的理论基础。对基于n u r b s 曲线曲面的重建进行了 研究，介绍了曲线拟合方法，结合实例归纳了n u r b s 曲面重构的基本策略。 关键词：逆向工程，数据采集，车身设计，曲面构造，数据检测 上海人学硕上学位论文 a b s t i 认c t an e we x p l o r a t i o no fa u t o m o b i l ed e v e l o p m e n t r c v c r s ee n g i n e e r i n g ，s p r i n g su p i n19 9 0 s ，i tp l a y sa nm a i n l yr o l ei nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yf o ra c c u m u l a t e i n gl o t so f e x p e r i e n c e ，i n o r d e rt om e e tt h ed e m a n do ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ea n d e n h a n c et h ea b i l i t yo fi n n o v a t i o ni no u rc o u n t r y b o d yi nw h i t ei st h ec r i t i c a lp a r to f a u t o m o b i l e ，c o n t a i n sd e t e r m i n a n t sf a c t o r si nt h eo v e r a l l p e r f o r m a n c e o ft h e a u t o m o b i l e i th a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa sc o m p l e xs h a p e s ，h i g h q u a l i t ys u r f a c e s t h e r ef o r , t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed i g i t i z a t i o nt h e o r yo fa u t o m o t i v eb o d yb a s e do n r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，a n dp r e s e n t ss e v e r a ln e ws o l u t i o n si nm o d e ld i g i t i z i n g ，d a t a p r o c e s s i n ga n dc a dm o d e lr e c o n s t r u c t i n g ，a sf o l l o w s ： t h ep a p e rp r e s e n t st h ea d v a n c e ds y s t e m sa n dt e c h n o l o g i e so fd a t aa c q u i s i t i o n , e s p e c i a l l yf o c u s e so nd a t ap r o c u r e m e n tu s i n gs t r u c t u r e d l i g h tp r o j i e c t i n gm e t h o d f o r r e d u c i n ge r r o ra c c u m u l a t i o nd u r i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，s u c ha s1 ：1c l a yc a rm o d e l ，w e p r e s e n t sam e a s u r i n gm e t h o dc o m b i n i n go f f - s h e l fd i g i t a lc a m e r aa n da t o s ，af a m o u s g e r m a nd i g i t i z i n ge q u i p m e n tu s e di nr e v e r s ee n g i n e e r i n g t h ep o i n tc l o u dd a t ap r o c e s s i n gs t u d y ：c o n t a i n sp o i n tc l o u dn o i s e sf i l t e r i n g ，d a t a s i m p l i f y , d a t af e a t u r ee x t r a c t i o n an e wm e t h o do fp o i n tc l o u dn o i s ef i l t e r i n gi s p r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h es u r f a c ec o n s t r u c t i o na n dd a t ac h e c kb e h i n d ，s t a t e san e w a l g o r i s mo ff e a t u r el i n ee x t r a c t i o nb a s e do nc u r v a t u r et e n d e n c y b r i e f l yi n t r o d u c e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l s o fs o m ec o m m o nc u r v e sa n d s u r f a c e ss u c ha sb e z i e r , s - p l i n e t h em e t h o d so ft h ec u r v es a n ds u r f a c e sc o n s t r u c t i n g a n dm o d i f y i n gb a s e do nn u r b sa r ed i s c u s s e dh e r e c o m b i n i n gs o m ei n s t a n c e s s u m m a r i z e st h eb a s i cs t e p sa n ds t r a t e g i e so fn u r b ss u r f a c eb u i l d i n gi nr e v e r s e e n g i n e e r i n g d e m o n s t r a t et h ea u t o m o b i l e b o d yc h e c k i n gb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g c o m b i n i n gt h ee x p e r i e n c ei np r a c t i c a le n g i n e e r k e y w o r d ：r e v e r s ee n g i n e e r i n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，b o d y w o r kd e s i g n i n g ，d a t af l i t e r i n g , m o d e lr e c o n s t r u c t i o n ，d a t ad i g i t i z e dc h e c k 2 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究丁作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交 论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) l 海大学硕一l 二学位论文 第一章绪论 1 1 逆向工程及其应用 在诸如航空、汽车、模具等工业生产中，如何获得包含先进技术的高质量产 品，一直足工程师追求的目标。这些产品，特别是其外覆盖件大多外形美观、精 度要求较高，且具有复杂的儿何特征。用传统的c a d 方法直接在计算机中完成对 产品的几何特征的构造则难以实现。因此，在实际生产中，往往是以制件模型( 如 油泥或黏土模型) 或经手工修改后的其它样件为设计原型，然后通过一定途径将 实物样件转化为c a d 模型，以期利用计算机辅助制造、快速原型制造工具、产品 数据管理( p d m ) 、及计算机集成制造系统( c i m s ) 等先进技术对其进行处理或管 理。目前，这种与从实物样件获取产品数学模型相关的技术，已发展为c a d c a m 系统中一个相对独立的范畴，即“逆向工程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，简称r e ) ， 或称反向工程、反求工程等。 逆向工程设计与传统的产品设计方式的最大不同是：传统的产品实现通常是 从概念设计到设计c a d 模型或图纸，再制造出产品，而产品的逆向工程是根据零 件( 或原型) 生成c a d 模型，再制造产品。逆向工程起源于精密测量和质量检验。 在其产生和发展过程中，由于出发点、侧重点以及应用场合等方面的不同，在不 同的文献中有不同的定义n 2 5 | 。一般地说，逆向工程是以先进产品设备的实物、 软件( 包括图纸、程序、技术文件等) 或影像( 图像、照片等) 作为研究对象， 应用现代设计方法学原理、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和 研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的一种工程设计 方法h 1 。广义的逆向工程包括形状( 几何) 反求、工艺反求和材料反求等诸多方 面。目前，大多数有关“逆向工程问题的研究都集中在几何形状，即重建产品 实物的c a d 模型方面。在这一意义下，“逆向工程”可定义为：“逆向工程是从 实物提取相关信息来建构c a d 模型的数字化技术和几何模型重建技术的总称。因 此，计算机辅助反求几何建模或许是这一概念更为准确的表述，本文所指的逆向 工程即指这一概念。 逆向工程技术是消化、吸收先进技术，进行新产品丌发、设计、创新的重要 技术手段。对于具有复杂曲面外形的零部件，逆向工程更成为主要的设计方式。 如汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由造型师制作1 ：1 的木或陶土模型，然后 将测量表面数据输入计算机进行造型、修改、完善，最后经c a m 完成模具。图1 1 是逆向工程的工作流程图。 逆向工程技术从已有产品或实物样件出发，通过扫描、重构建立其c a d 模型， 然后在此基础上进行产品再造型和再设计，可以有效地节省开发时间，借鉴别国 或他人成功的经验和设计。这对于一些发展中国家来说有其重要意义，不仅可以 上海人学硕j ：学位论义 学习借鉴发达国家成功的设计经验，更能有效地将自己的设计思想融入产品再设 计中，提高自己的设计丌发能力。 图1 1 典型逆向工程流程图 逆向工程技术在生产实践中具有广泛的需求。概括起来，可以有以下方面哺1 ： ( 1 ) 目前，许多外形设计师还难以直接用计算机进行某些物体( 如复杂的艺术 造型、人体和其他动植物外形等) 的三维几何设计。在进行这些产品设计时，更 倾向于用黏土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计，然后通过逆向工程将实物模 型转化为三维c a d 模型。 ( 2 ) 由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，人们经常要对已有的构件做 局部修改。在原始设计没有三维c a d 模型的情况下，若能将实物构件通过数据测 量与处理，产生与实际相符的c a d 模型，对c a d 模型进行修改以后再进行加工， 将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。 ( 3 ) 以已有产品为基准点进行设计( b e n c h m a r k i n g ) 已经成为当今的一条设 计理念。目前，我国在设计制造方面距发达国家还有一定的差距，利用逆向工程 技术可以充分吸收国外先进的设计制造经验，使我国的产品设计立于更高的起 点，同时加速某些产品的国产化速度。 ( 4 ) 某些关键大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件 2 j ：海人学硕上学位论义 的损坏而停止运行，通过逆向工程手段，可以快速生产这些零部件的替代件，从 而提高设备的利用率和使用寿命。 ( 5 ) 借助于层析x 射线摄影法( c t 技术) ，逆向工程不仅可以产生物体的外部 形态，而月刈以快速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损 检测的重要手段。 ( 6 ) 利用逆向工程手段，可以方便地产生基于模型的计算机视觉。 ( 7 ) 通过实物模型产生其c a d 模型，可以使产品设计充分利用c a d 技术的优 势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。 1 2 逆向工程相关技术 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 是与传统的设计过程完全不同的设计方 式。通常的做法是用特定的测量设备从待建曲面上测取一系列的离散数据点并将 其输入计算机，再从这些样点出发，经过相应处理，完成实物表面的重构。这样 一个曲面重建的问题，用数学术语描述为： 给定一张( 或多张分离的) 光滑且不交的曲面x 上的一个采样点集p = x 。， x 。，x 。) cr 3 ，求做一张( 或多张分离的) 曲面s ，以近似地再现x 。 实现这一过程涉及很多相关技术，主要包括：数据测量技术，三角剖分与拓 扑重建技术、网络优化与简化技术、曲面造型与几何重建技术。拓扑重建与几何 重建技术是其中两大关键技术1 。 实物表面数据测量是指：采用某种测量方法和测量设备测出实物各表面的若 干组点的几何坐标。根据测量设备的测量头不同，通常将测量方法分为：接触式 测量法和非接触式测量法。激光三角法和投影光栅法是两种典型的非接触测量 法。三坐标测量机( c m m ) 是典型的接触式测量法。非接触式测量响应时间短， 测量范围大。接触式测量速度慢，但测量精度高。可测性( a c c e s s i b i l i t y ) 和 阻碍( o c c l u s i o n ) 是非接触测量法遇到的主要问题。由于零件的几何结构及拓扑 干扰的原因，部分区域的扫描数据不容易测到，即发生测量干涉现象。通常采取 多次扫描来解决，但在某种测量方法下，可测性是有限的，一些数据仍然不能完 全获取，如通孔的数据。因为后面更高层次的几何处理，如特征边界的提取，特 征拓扑重建，特征的定位和定向等都可能要从错失数据处提取信息。所以有时， 我们需要对错失的这些数据进行修补。 为了获得原样件的形状，通过多次扫描处理的数字化点需要被拼合在一起。 这些数字化点拼合的结果一般为散乱数据点云。测头和扫描过程的不同拼合方法 也不同，可对每次测量结果先进行三角网络化再拼合。为了能快速高效获得高精 度的测量点，测量前还需要进行测量规划，使测量路径更合理。 三角剖分与拓扑重建是一对密切相关的概念。一方面，拓扑重建技术往往要 一卜海大学硕士学位论文 用到三角剖分技术；另一方面，当采用三角形网络时，拓扑重建的结果表现为曲 面三角剖分。拓扑重建作为曲面重建的第一步，其任务是重建各样点之间的拓扑 关系，重建结果为一张( 或多张分离的) 与原曲面拓扑等价的多边形分段线性曲 面( 有称多边形网络) 。由于= 三角形是最简单的多边形，它比其它形式更稳定， 更能灵活反映实际f 1 1 面复杂的形貌，对复杂边界也能很好地表达，适用于任意分 布的散乱数据点集，同时任意多边形均可分解为若干三角形，所以曲面重建中最 常采用的网络就是三角形网络。从剖分对象的维数来看，三角剖分问题可分为平 面三角剖分，空间三角剖分以及高维三角剖分。如果剖分对象为分布在曲面上的 点集，并且剖分的结果为贴近曲面的与原曲面拓扑等价的三角形分段线性曲面， 则称为曲面点集的三角剖分。现在比较流行的方法是d e l a u n a y 三角剖分和基于 网格前沿法的空间曲面直接划分。后者需要解决孔域问题。 网络优化。不同的点云网络化方法产生不同的形状表达结果。三角网络优化 是指通过对从拓扑重建生成原始网络m 0 进行调整，在保持拓扑不变和几何精度 许可的前提下，使得到的网络m 中出现尽量少的尖锐三角形，即在整个网络中所 有三角形最小内角之和最大，并使网络的整体形状最优，为后续处理提供便利。 面对日益提高的样点采集技术，以及随之而来的样点规模的同益增大，网络优化 也已成为一个研究热点。除了d e l a u n a y 三角划分能保证划分得到的三角网格局 部几何形状最优外，通过其它划分方法得到的网络都需要根据优化准则进行优 化。目前三角网络优化的准则有：t h i e s s e n 区域准则、圆准则、最小内角最大 化准则、球面准则、a b n 准则、p l c 准则等。 曲面造型与几何重建。通过线性插值数据点形成一个三角网络来粗略表达原 样件的形状，可以用于进行碰撞检测，计算机图形学和三维动画显示。但仅仅用 它来表示逆向工程中的光滑曲面是不够的。因为它是用一些法矢不连续三角平面 来表示曲面，只是一种近似粗略的表示。对逆向工程来讲还需要采用合理的几何 重建方法建立实物曲面的精确表示。几何重建可以看成是一种特别的曲面造型技 术，即从多边形网络出发构造插值或逼近的光滑曲面的造型技术。为了获得精确 紧密的光滑曲面模型，可以用分片光滑的b 样条曲面( 其内部通常是2 阶连续) 来表示。因为b 样条曲面的内部的光滑连续性，很难表示曲率不连续的几何形状。 因此，通常需要将数据点进行分片划分，每片内部保持曲率连续。因此根据待求 曲面功能特征来进行数据点的划分，对构造整体连续的精确曲面模型具有重要意 义。目前，对复杂曲面重建的研究主要可归结为三种方法h 1 ：一类是建立有众多 小三角面片构成的网络曲面模型；第二类是以多面体方式来描述曲面模型；第三 类基于四边域参数曲面的重构方案。对曲面进行分片拟合后，还要采用相应的技 术对曲面进行拼接，调整，获得整体连续的曲面形状。图1 2 表示了运用逆向 4 上海大学硕i 学位论文 工程相关技术建立实物c a d 模型的各阶段示意图。图( a ) 是通过测量设备测得的 三维数据点云。图( b ) 是点云三角网络化的结果。图( c ) 是根据特征进行数据划分 得到的结果。图( d ) 表示模型重建的结果。 畜鬻 ( a )( c )q ) b 气 图1 2 逆向工程模型建构阶段示意图 目前在理论研究方面，“智能化”是当前逆向工程建模方法的重点。这里的 智能化主要体现在这样一些方面：对散乱测量数据点、多视和补测数据点的几何、 拓扑关系的自动确定；结合视觉理解方法，用高层次的几何模型和认识推理机制 来指导对测量数据点云中包含的几何特征的智能提取，从而达到按设计意图对区 域进行合理分割效果：自适应的数据采样、网络划分方法，具有更台理的曲面延 展、相交、过渡能力；重建模型实现参数化、变量化表达，方便设计的编辑、修 改，达到改进及创新设计。本文在进行系统设计时，在前人的基础上对曲面反求 的智能化进行了有意的探索，并在相应的功能模块给出了部分实现。 1 3 论文研究的目的及其意义 我国大部分厂家在车身开发上多采用传统方式，即在车身设计和工艺装备的 设计及制造中，首先塑造汽车外形的油泥模型，然后根据油泥模型制造主样板、 主图板、主模型，再完成汽车的结构设计车身工艺装备的设计与制造，以主图板、 主样板、主模型三者结合作为确定形状和尺寸的依据。由于上述三者都是实物， 制作成本高，周期长，其形状尺寸在开发过程各环节之间的多次移形传递会造成 严重的累积误差，精度无法保证，严重影响了车身的开发。还有部分厂家在设计 过程中，应用了部分c a d c a m 技术，但在产品仿制或面对以轻手工进行局部修 改( 光顺处理) 后的模型和实物样件( 包括用c a d c 枷系统设计和加工生产的模型) 时，仍用传统的测量技术采集特征线上离散的坐标点，然后输入计算机，建立 卅0 j ：海人学硕二t 学位论文 c a d 模型的处理步骤，它有以下多方面的技术和工艺上的限制：测量速度慢，周 期长而且精确度难以保证，特别是针对很复杂的曲面，离散点不能准确地定义它 的形状， ：程师简单重复劳动工作量巨大。对测绘人员的要求高，他必须掌握设 计的要求和一般c a d c a m 软件刘自效处理坐标点数量的限制。既不能充分发挥 c a d c a m 技术和计算机速度的优势，又不能发挥最新扫描技术，如激光扫描仪等 的优势，最终建立的c a d 模型与实际数值偏差大，质量难以控制。 国外先进汽车制造企业在成熟应用c a d c a m 技术的基础上，还将逆向工程先 进的技术应用到车身设计制造上面，并设计了一系列强有力的逆向工程处理和开 发工具，用来缩短丌发周期和提高设计质量。日本将逆向工程作为一种设计方法， 成功地引入他们的新产品设计中。日本人应用逆向工程对竞争对手的产品进行改 进，以便避开艰苦的原型设计阶段，进行所谓的再设计过程，就是通过观察和测 试某一种产品，对其进行初始化，然后，拆开产品，逐一分析单个零件的组成、 功能，装配公差和制造过程。近年来，欧美地区设计了一系列强有力的逆向工程 处理和开发工具，用来缩短开发周期和提高设计质量。 本课题来源于万奇汽车设计( 上海) 有限公司s a n 3 0 0 0 车门重构、上 海奕代汽车技术有限公司整车l ：4 油泥模型的数字化、上海汇众汽车制造 有限公司别克轿车模具数字化开发和上海大众汽车有限公司( ( s a n 2 0 0 0 轿车 模具数字化开发等项目。 1 4 本章小结 本章简洁地叙述了逆向工程的概念及其主要相关技术，分析了国内外汽车车 身设计技术上的差距，指出我国汽车工业面临的严峻形势。提出在扫描车身点云 数据到建构、检验、修改数字模型的这条技术路径中，寻找出一种高效、简便 、优质的逆向工程设计方法，对我国的汽车工业具有极其重要的作用。 6 上海人学硕十学位论文 第二章数据采集及测量原理 车身的数字化是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，在这基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、 高精度地实现零件表面的数据采集，是逆j 匀工程实现的基础和关键技术之一。汽 车车身模具外表面主要特点是形状复杂，结构尺寸大，多为空间曲面，表面质量 性能要求比较高。因此在选择测量方法及设备时应充分考虑其表面特点，以期达 到高效率、全方位、高精度的数据采集。 2 1 零件的表面数据采集方法 实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点 的空间几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建 模、评价、改进、制造。因此，如何高效、高精度地实现样件表面的数据采集， 一直是逆向工程的主要研究内容之一【5 j 。近几十年来，随着传感技术、控制技术、 图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了种类繁多的样件表面数据获取 方法，一般来说可以分为无损测量和破坏性测量( 层切法) 两大类，而无损测量 又可以分为接触式数据采集和非接触式采集，接触式基于力变形原理分为触发式 和连续扫描式、基于磁场或超声波的数据采集。非接触式主要有激光三角测量法、 激光测距法、结构光法、图像分析法、全息法、工业c t ( i c t ) 等，见表1 1 ， 其中，声学式、磁学式、工业c t 、层切法可以对产品的内部结构进行测量。 表2 1 常用= 维测避方法 实体测量方法 无损测量破坏性测量 接触式非接触式 光学式 触扫 击 电 图 逐层 逐层切 发描 波磁角 距结全 像 切削 击 电 式式离构息分 n 波磁 削照相法 测 法光法析 一 量 照相 法 法 一、接触式数据采集方法i 8 】【9 】 接触式测量是指利用接触式测量仪器对实物外表面进行测量。在接触式测量 方法中，机械坐标测量机( c m m ) 是一种发展较为成熟的测量设备，它是利用传 感器实现测量头在工件上移动，将复杂的三维曲面测量转化为二维测量，按曲面 曲率的变化不均匀的分布点，从而记录下路径点的坐标值。它具有噪声低、精度 高( 可达0 5u m ) 、重复性好等优点；但测量速度慢、效率低，摩擦力和弹性变形 7 ：海人学硕士学位论文 的存在容易引起模型变形产生测量误差，对软体对象难以做精密测量，需要对测 头表面损伤和测头半径进行补偿，而且对测头不能触及的细微表面是无法测量 的，不易获得连续的坐标点。测量数据的特点是高精度、低密度。 1 触发式数据采集方法。采用触发探头，当采样测头的探针刚好接触到样件 的表面时，探针尖的受力产生微小的变形，触发采样测头中的开关，使数据采集 系统记下探针尖( 测球中心点) 的当时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮 廓的坐标数据，在触发式数据采集过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才会 触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要法向退出以免过量而折断， 因此数据采集速度较低。 2 连续扫描式。采用模拟量开关采样头，它的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电容的变化，进行机一电模拟量的转换。 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。由于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触式触发 采样头快许多倍，采样精度也较高。此外，由于接触力较小，允许用小直径的探 针去扫描具有细微部分或由较软材料制作的模型。由于采样速度快，连续扫描式 数据采集法可以采集大规模的数据。 3 磁场法。该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持探针在物 体表面移动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件 表面的数字化，但不适用于导磁的样件测量。 二、非接触式数据采集方、法1 1 0 】 采用非接触式方法采集实物模型的表面数据时，测头不与实物表面接触，它 们利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取被测物体的三维信息。非 接触式测量的共同特点是不仅能测量大型工件，也能测量小型物体。其中应用光 学原理的现代三维测量方法发展快速，如结构光扫描法、激光扫描三角法、光栅 投影法、激光干涉法、摄影测量法等。其中结构光扫描法已经比较成熟，在逆向 工程中获得广泛应用。 非接触式测量法根据作用方式的不同可分为光学法、c t 法、超声波法和核 磁共振( m i l l ) 等。随着机器视觉技术和光电技术的发展，采用光电方法的非接触 测量技术得到迅速发展，新的测量技术如激光技术、材料转移的光谱技术、三维 全息照相显示技术不断的涌现，相应的测量方法有相位法，深度图象法，全息法， 激光三角形法等。相位法测量基本原理是将周期性的光栅投影到被测曲面上，受 到被测曲面轮廓高度的调制，光栅影线发生变形，解调变形光栅图象，建立变形 光栅图象与被测曲面轮廓高度的函数关系，求出被测曲面形状的三维信息，测量 原理及光路结构简单。相位值的解调有相移法和傅立叶分析法。傅立叶变换是数 字图象处理中最基本和有效的频域分析方法，采用频谱分析手段解调曲面三维信 息，速度快，检测自动化程度高。相位法测量的优点是速度快，测量范围大，成 本低：缺点是只能测量起伏不大的较平坦的曲面，曲面变化剧烈的地方，会出现 大的偏差，测量精度较低。基于几何光学三角形原理的激光三角形法是目前应用 最广泛的非接触式测量方法。三角测量的基本原理是由半导体激光器发出的激光 8 上海人学硕上学位论文 通过聚光透镜在被测曲面上结成光点并反射，光敏元件( o np s d ) 接收其散射光， 根据其在p s d ，e 的位置，即可测出被测点的窄问举标。在激光三角测量原理的 基础上，根据其体测量系统与原理不同，又有f 、= 同的测量方法：激光位移计；激 光双三角测量法；同轴薄透镜成像原理等。 在实际测量中，测量方法的选用需根据被测物体的形状特征和应用目的决定。 作为一利，检测仪器出现的三坐标测量机在逆向工程应用中发展成为实物外形数 字化的主要设备，但存在测量速度慢，需要进行测头半径补偿，因测量力过大， 不能测量松软材料样件等缺点。随着硬件技术的不断发展，光学非接触式测量技 术得到了迅速发展。以高响应，高分辨率著称。该方法具有测量速度快，测量精 度高，不受环境电磁场干扰，工作距离大，可测量材质松软的样件等优点，成功 地解决了接触式测量方法所存在的问题。在未来的发展趋势中，非接触式测量将 越来越占据主要地位，但三坐标测量机在精度方面仍具有优势。对一些具有特殊 的数字化要求的实物( 如内部结构) ，基于c t 和m 砒的测量依然是一种不可替 代的测量手段。各种测量方法各有优缺点，到目前为止，还没有一种能适用于任 何情况下的测量方法，在选用测量设备时，要综合考虑多方面的因素。这些因素 主要有以下几个因素： 1 ) 产品的尺寸大小； 2 ) 测量数据所要求的精度； 3 ) 产品特征的可获得性； 4 ) 测量数据所要求的密度； 5 ) 物体表面的特性( 如反射、材质等) ； 6 ) 执行测量所允许的时间范围； 考虑到本课题的实际情况，由于模具表面多为自由曲面，且绝大部分曲面曲 率变化不大，在考虑到各种实体的扫描方法，故采用非接触式的光学方法。针对 本课题，采用德国g o m 公司的a t o s 光学扫描仪。 2 2 光栅投影测量技术 德国g o m 公司独家研制的a t o s 流动式光学扫描仪是目前国际上最为先进 的非接触式三坐标扫描设备。该设备采用可见光，将特定的光栅条纹投影到测量 工件表面，借助两个高分辨率c c d 数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光 学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短的时间获得复杂工件表面的完整点 云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术，使扫描不需要借助于 机床的驱动，扫描范围可达1 2 m ，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其 高质量的完美扫描点云可用于产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至 可实现直接加工。最新的a t o s 光学扫描仪可以配合机器人测量，测量的精度和 范围有了一个质的提高，如图2 1 a t o s 配合机器人测量。 9 上海大学颐l 学位论z 鬻 吣夕 圈2 - 1a t f l s 配合机器人测量 a t o s 扫描头结构见图2 - 2 。中间是普通光源，两端是c c d 摄像头，它是非 接触式测量的典型代表，且近年来得到了成功的应用。它采用的测量原理是投影 光栅法。如上节所介绍的，它是通过光栅投影变化来获得被测点的数据信息的。 图2 - 3 是与之配套使用的t i l i t o p 坐标采集系统。 图22 懈扫描仪测量头图2 - 3t r i t o p 坐标采集系统 在应用计算机视觉的测量系统中，无论是采用摄像机还是数码相机作为原始 图像的采集设备，都必须进行系统标定。系统标定是应用计算机视觉进行现场测 量和图像处理的第一步，也是关键的一步。标定矩阵直接影响最终的测量精度。 摄像机标定通常需要满足一下准则： 1 )自适应性：摄像机标定时不需要人工干涉，不必在标定过程中，假设参数 的初始值或选择特定的参数系统。 2 )准确度高：零件检测、装配等都需要高精度，摄像机标定在理论模型上首 先应该满足这个要求。 3 )效率相对要高：为了避免重复标定外部参数，摄像机标定不能包含高次( 如 超过5 次) 计算。 4 )通用性：摄像机标定技术应该在各种精度范围，光学环境和应用下具有统 一和自动性。 穆 薯 一 鏖响 上海人学硕上学位论义 1 建立摄像机模型 测量原理是在已知摄像机模型与世界坐标之问关系的情况下做出的探讨，如 何建寺摄像机几何模型，该试验与计算的过程称为摄像机标定。摄像机模型是光 学成像儿何关系的简化，最简单的模型为线性模型，即针孔模型( p i n h o l e m o d e l ) 。当计算精度要求较高，尤其使用广角镜头时，考虑成像失真时，要用到 摄像机的非线性模璎。对于两个或多个摄像机，还需要知道各个摄像机之间的几 何关系【w j 。要完成摄像机标定，首先应该建立摄像机的数学模型。该模型要有 足够的精度来描述摄像机成像过程，图2 4 所示，是由t s a i 提出的摄像机模型【2 川。 图2 4 摄像机模型 b 拶两o r 讧。拶。# 0 摄像机图像拍摄实际上是一个光学成像过程，将此过程分为三个步骤、隶属 于四个坐标系。这四个坐标系分别为： ( 1 ) 世界坐标系( o w x w y w z w ) 这是假想的实际空i 日j 中的一个固定的参考坐标系，是符合右手定理的三维直 角坐标系，可以假设在空间任何位置上。考察点p 点在世界坐标系中的坐标值 设为( x w ，肌，z w ) 。 ( 2 ) 摄像机坐标系( o x y z ) 图2 9 中所示的坐标系o x y z ，原点为镜头光圈中心，z 轴与光轴重合，x 、y 轴分别与c c d 上光敏单元排列的水平与垂直方向平行。考察点尸在此坐标系中 的坐标设为( x ，y ，z ) 。 ( 3 ) 成像平面坐标系( o f x y ) 此坐标系为二维直角坐标系，坐标原点在c c d 图像平面中心，x 轴、y 轴 分别为平行于摄像机坐标系的x 轴和y 轴，坐标值用( x ，y ) 表示。 ( 4 ) 实际图像坐标系( o f x f y f ) 该坐标系坐标原点在c c d 图像平面的左上角，x ，轴、y ，轴分别平行于成像 平面坐标系的x 轴，y 轴，坐标值用( x y ，) 表示，且为离散的整数值。 在小孔模型下，摄像机标定将建立三维信息n - 维信息之间的透视变换模 型。空间p 点在o w x w y w z w 和o x y z 中坐标关系可表示如下： 茎 = r 耋 + 丁 ( 2 5 ) 上海大学顾一i ：学位论文 其中r = 匿孽兰 、丁= 茎 是需要标定的参数。 由小孔成像透视投影原理，在成像镜头无畸变失真、聚焦投影情况下，p 点 x 。= 厂二 ( 2 6 ) 艺= 厂上 ( 2 7 ) 在考虑镜头畸变失真的真实投影情况下，p 点在成像平面o , x y 上的投影为 匕+ d y = 艺 其中d 在考虑到成像镜头失真主要为径向畸变， 失真模型确定： ( 2 9 ) 忽略其切向畸变，由以下 仇= x d ( 1 + 后l ，2 + 忌2 r 4 + 人) ( 2 1 0 ) d 。= 巧( 1 + 后l 厂2 + 后2 ，4 + 人) 其中，：0 虿i 万，岛为标定中要确定的未知参数。 将p d ( ，场) 向0 1 ，海巧变换可由式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 表示： x f = sx d j _ 、xd + c x ( 2 1 1 ) f 2 t 2 ) = d ；1 l + c ， ( 2 1 3 ) 其中( 每r s ) 为乃点在c ! ，蜀v 上的投影坐标，坐标值以像素为单位。 ( g ，g ) 为c ! 厂x 厂坐标系中数字图像中心点的坐标。 ， 文= d x 挚 ( 2 1 4 ) 1 v 办 其中反，巩分别为在实际图像平面沿x 方向，y 方向上c c d 相邻两像素之间 的距离，坛为c c d 上x 方向的像素数。坛为数字图像采集中x 方向抽样的像 素数，s 为反映摄像机视频产生电路及数字图像采集卡中d a 、a d 抽样时间间 隔变化的系数。 综合以上各式有 s “( x ，一c ，) + s 7 4 - e + k l r = f x z d y ( y s - c , ) 七dy ( y f - - c y ) k t r 2 = f _ y z 式中 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 1 2 卜_ 海人学硕士学位论文 ，：屑可：肛瓦i 习q 丽i 玎 将式( 2 5 ) 代入( 2 1 5 ) ，( 2 1 6 ) 消去x 、y 、z ，得 ( 。一q ) + t ( 。一q ) k l r 2 = 厂搴三号糌 ( 2 j 7 ) d y ( y f 训+ d y ( y f 训k l r 2 = 厂嚣器 ( 2 1 8 ) 其中：，：厄瓦乒可可丽i 玎 x - 戈( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 完全确定摄像机数字成像过程的数学模型。 2 标定内容的确定 式( 2 1 7 ) 、( 2 18 ) 中表示的数字成像数学模型中的参数可归纳为两类：第一类 是内部参数，摄像机坐标系向实际图像坐标系变换过程中所涉及的参数，有心， 坛，d x ，d r ，s ，g ，c ，k l ，k 2 ，其中n c x ，人，破，玩可从器件手册中 查得，对于镜头的畸变系数，取k i ，恕两阶。第二类为外部参数，世界坐标系向 摄像机坐标系做刚性变化过程中所涉及的参数，即r ：r l ，r 2 ，兀瓦， 乃，正。摄像机标定的具体内容包括定量镜头焦距万畸变系数k l 、恕，扫描系数 & ，旋转矩阵r 以及平移矩阵l 在双c c d 测量系统中【2 ，成像过程的标定是每个相机独立进行，经过标定 确定三维空间中任一点p 到二维实际图像平面上点q 的坐标变化关系，令此成 像变换为f ，则有 q = f ( 尸) ( 2 1 9 ) 其中f 是单值对应的变换函数。由透视变换原理可知，夕、9 以及光心( 摄像机 坐标原点) 应同在一条射线l 上。 对于在同一个坐标系中同时标定的双摄像机组成的视觉系统，令左右成像系 统的空间变换分别为f l 、f 2 ，空间任一点p 在左右c c d 上投影点坐标分别为 q l 、q 2 则有双摄像机视觉系统成像过程基本函数表达式： q 1 2 f f f p )( 2 2 0 ) q 2 2 f 2 ( p ) ( 2 21 ) 已知空间任一点在某摄像机成像系统投影q l ，可求出其在另一摄像机成像 系统上的投影q ，9 1 、q 在各自的成像系统中与各自的光心连成射线。两条 射线在同一坐标系下交点为p ，由同时标定的两个摄像机模型共同决定，设决 定函数为v 。则 p 。= v ( q l ，q 2 ) = v ( f l ( 尸) ，f 2 ( p ) )( 2 2 2 ) 理想状态p _ 尸。实际过程中由于误差影响p 与尸存在着误差，记为占。( 两 射线不相交，出现这种情况时，取两射线距离最近两点连线中点作为p ) 。即 f 诲大学碰i 学位论 s 。= i1 - e l l = 1 1 v ( q i t q 2 ) - e l i ( 2 2 3 ) 由空问己知坐标点集合s 完成参数标定，标定误差由最小二乘法取其均值用 丘表示，则有 e - - a v e r a g e ( 。) p e s( 2 2 4 ) 调整模型参数使e 最小，即完成摄像机内部参数和外部参数的标定。 a t o s 系统的标定1 是采用如图2 - 5 所示的标定板来完成的。 錾；糍雾 - k 稿i = 罂k ： ： 图2 - 5a t o s 标定板 a t o s 标定板是一块大小为3 5 0 2 8 0 m m ：的平板，板上所有的特征圆点都已 精确定位，即相对位置关系已知。通过摄像机测量标定板上的各圆心位置，反求 出标定板与摄像机的相互关系，确定摄像机的内部参数和外部参数，同时确认摄 像机在各个位置拍摄效果良好。具体标定过程和标定算法详见文献l l 惦。 2 3 基于数码相机的实物表面数据获取技术 如21 中所述，a t o s 在测量过程q j ，对超过单次测量量程1 0 0 0 8 0 0 m m 2 的 工件采用非编码的参考点要进行多次测量拼合。但是对汽车行业而言，更多的是 大型外覆盖件甚至是整车1 ：1 油泥模型的表面数据化，这时如果仍依靠图25 所 示的参考点进行拼接，将导致测量拼接误差积累( 甚至出现无法拼接) ，重复测 量数据过多，测量效率低，同时给硬件带来的负荷也更大。为了解决上述问题， 本文以文献1 2 ”研究的数码相机数据采集理论方法为基础，以增强其在实际工程 操作中的实用性为原则，采用数码相机首先确定所有参考点在世界坐标系的位 置，以所测得的点为a t o s 系统中的“老”参考点，再用a t o s 对物体进行分块测 量。 2 3 1 编码方案 数码相机确定参考点的关键问题在于如何将