（光学工程专业论文）车身曲面的测量技术和车身曲面的重构.pdf

。，! 一，堕尘堡三些查耋三查至呈耋：l ：篁耋。，一一， 摘要 伴随着我国经济的高速发展，汽车的保有量迅猛增长。对汽车维修的质 量要求也日益提高。传统的修车方式不断地受到挑战，各项新技术在汽车维 修中的应用受到广泛地关注，借助各种新技术，改变传统的修车方式，必将 成为未来发展的趋势。 车身测量技术是车身修复中的重要环节之一，在许多发达国家，如瑞典、 法国、美国等已经得到了很大的发展。先进的电子测量、激光测量技术在车 身的维修测量中都得到了较广泛的应用。在汽车车身维修方面，这些技术几 乎应用于所有车型。而在我国，绝大多数的维修企业，仍在使用传统的测量 方法。 本论文研究如何将先进的激光测量技术应用于车身的测量，并结合曲面 重构技术，进行车身曲面的重构，得到车身的标准数据。在维修的过程中， 对维修车身进行测量，同时与标准数据进行比对，以实现车身的精确维修， 大幅地提高车身维修的效率和质量，满足现代化维修的要求。 首先给出了车身测量的方法及测量基准的选择，对激光测量三角法的特 点、原理及实现方法进行了阐述。 其次，对测量点云的曲面重构方法进行了研究。给出了车身曲面重构的 各种方法及其适用的条件。对本文应用的方法及其特点进行了分析和研究。 同时给出了车身曲面重构的步骤，及车身曲面数据化的方法。对一辆汽车车 身进行了车身数据的测量和车身曲面的重构。 然后，对激光测量误差产生、曲面重构误差产生的主要方面进行了分析， 激光测量误差包括：成像系统误差，温度湿度等环境因素误差，c c d 传感 器电路处理误差，数据处理误差，被测表面和方案引入的误差。曲面重构误 差包括：原型误差，测量误差，数据处理误差。针对相应误差产生的原因， 提出了误差消除的方法。 最后，介绍了车身数据在车身维修中的应用。 关键词车身测量；激光测量；误差分析；曲面重构 。，。，望查堡三些查兰三堡耋圭兰堡兰圣， ， ， ， a b s t l a c t w i t ht h et h s td e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m yo fo u rc o u n t r y ，t h ec a p a c i t yo f t h ea u t o m o b i l ei n c r e a s e sr a p i d l y t h er e q u i r e m e n to fag o o dq u a l i t ya u t o m o b i l e s e r v i c ei si n c r e a s i n gd a yb yd a y t h et r a d i t i o n a lw a y so fa u t o m o b i l es e r v i c ea r e i n c h a l l e n g e ；a n dv a r i o u sn e wt e c h n i q u e su s e di na u t o m o b i l es e r v i c eh a v eg o t w i d ea t t e n t i o n n e wt e c h n i q u e si nt h ea u t o m o b i l es e r v i c ew i l ls u r e l yb e c o m et h e c u r r e n to f t i m e ， a u t o m o b i l e b o d ym e a s u r et e c h n i q u ei s o n eo ft h ei m p o r t a n tl i n k sd u r i n ga n a u t o m o b i l eb o d yr e p a i r i n g i ns o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，l i k es w e d e n ，f r a n c e ， a m e r i c ae t c ，a u t o m o b i l eb o d ym e a s u r et e c h n i q u eh a sg o tg r e a tp r o g r e s s t h e a d v a n c e de l e c t r o n i cm e a s u r et e c h n i q u ea n dl a s e rm e a s u r et e c h n i q u eh a v eg o t w i d e l yu s e di nt h ea u t o m o b i l eb o d ym e a s b r et e c h n i q u e t h ea p p l i c a t i o no ft h o s e t e c h n i q u e sa r ea p p l i e di nn e a r l ya l lk i n d so f c a r si nt h ef i e l do fa u t o m o b i l eb o d y s e r v i c i n g i no u rc o u n t r y ，m o s to ft h ea u t o m o b i l es e r v i c i n gc o m p a n i e sa r es t i l l u s i n gt h et r a d i t i o n a lm e a s u r em e t h o d s ，s u c ha ss t e e lt a p e ，p o l eg a u g e ，c e n t r e g a u g ee t c af e we n t e r p r i s e sh a v ea l l o c a t e dt h em a c h i n e r yt y p et h r e e d i m e n s i o n a l m e a s u r i n gs y s t e m b u tb e c a u s ei to p e r a t e sc o m p l i c a t e da n di n e f f e c t u a l ，i td o e s n o th a v ew i d ea p p l i c a t i o n t h el a s e rm e a s u r e t e c h n i q u ew a s s t u d i e dh o wt ou s ei nt h ea u t o m o b i l eb o d y m e a s u r et e c h n i q u e t h ea u t o m o b i l eb o d ys u r f a c ew a sr e c o n s t r u c t e dw i t ht h eh e l p o ft h i st e c h n i q u et o g e t h e rw i t hs u r f a c er e c o n s t r u c tt e c h n i q u e t h es t a n d a r dd a t a o ft h ea u t o m o b i l eb o d yw e r eg o ta tt h es a m et i m e i nt h ec o u r s eo f s e r v i c i n g ，w e w o u l d c o m p a r e t h em e a s u r e dd a t ao ft h ea u t o m o b i l eb o d yw i t ht h es t a n d a r dd a t a t h i sr e a l i z e dt h e a c c u r a c ys e r v i c i n g o fa u t o m o b i l e b o d y ，a n di m p r o v e dt h e q u a l i t yo f a u t o m o b i l eb o d ys e r v i c i n gb yaw i d em a r g i nt om e e tt h ed e m a n df o r m o d e r n i z e ds e r v i c i n g f i r s to fa i i i nt h i s p a p e r w es t u d i e dt h e w a y o fa u t o m o b i l e b o d y m e a s u r e m e n ta n dt h ec h o i c eo ft h ef i d u c i a l l ym e a s u r e m e n t ，t h ec l a s s i f i c a t i o no f m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n do n e so w np l u s e sa n dm i n u s e s w ee x p l a i n e dt h e l a s e r c h a r a c t e r i s t i c ，p r i n c i p l e a n d i m p l e m e n t a t i o nw a y o f t r i g o n o m e t r i c a l l y m e a s u r e m e n t w ea l s oi m r o d u c e dt h es t r u c t u r eo fl a s e rm e a s u r i n g s y s t e m t h a tt h i s t e x tu s e d s e c o n d ，t h ep a p e re x p a t i a t e s o nc u r v e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o na tt h e m e a s u r i n gp o i n t v a r i o u sk i n d so f m e t h o d sa n ds u i t a b l ec o n d i t i o n sa r ei n t r o d u c e d i nt h i sp a p e lt h em e t h o d sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i cu s e dt ot h i sp a p e ra r ea n a l y z e d i nt h i sp a p e rw ei n t r o d u c e st h es t e p so fc u r v e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，a n dh o wt o g e tt h ed a t ao f a u t o m o b i l eb o d ys u r f a c e ，t h e nw e g e tt h ed a t ao fa u t o m o b i l eb o d y s u r f a c eo fa na u t o m o b i l ea n dr e c o n s t r u c ti t ss u r f a c a t h i r d ，im a d ea na n a l y s i so ft h em a i ne r r o ra b o u tt h em e a s u r ea n dt h e c u r v e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o nd a t a t h el a s e r m e a s u r i n g e r r o ri n c l u d et h e t b r m a t i o ni m a g e s y s t e m a t i ce r r or ，e n v i r o n m e n t a lf a c t o r ( s u c ha st h eh u m i d i t ya n d t e m p e r a t u r e ) e r r or ，c c d s e n s o rc i r c u i td e a l e r r o r ，d a t ap r o c e s s i n ge r r or t h e m e a s u r e ds u r f a c ea n dt h es c h e m ei n t r o d u c e de r r o r t h es u r f a c er e c o n s t r u c t i o n e r r o ri n c l u d ep r o t o t y p ee r r o r ，m e a s u r e m e n te r r o ra n dd a t ap r o c e s s i n ge r r o r s t o c o r r e s p o n d i n gr e a s o nt h a te r r o rp r o d u c e ，w ep u tf o r w a r dt h em e t h o dt h a th o wt o d i s p e lt h o s ee r r o r s f i n a l l y ，w ei n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fa u t o m o b i l eb o d yd a t au s e di n a u t o m o b i l eb o d ys e r v i c i n g k e y w o r d s a u t o m o b i l e b o d ym e a s u r e m e n t ，l a s e rm e a s u r e m e n t ， e r r o r a n a l y s i s ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n i i i 哈尔演工业大学t 程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的迅速提高，我国汽车销量在 世界排名已经进入前三名，家庭轿车逐步进入千家万户。且随着经济发展， 汽车以每年2 0 0 多万辆的速度增长。随着汽车总量的增加，交通事故率也随 之递增。所以汽车的拥有者和使用者都不可避免地要面对汽车维修这个问题。 汽车维修是保证汽车使用性能、延长汽车使用寿命、保持社会运力的主 要措施。是节约人力和物质资源、创造社会财富、创造使用价值的再生产过 程。截至2 0 0 1 年，全国已有各类维修企业3 0 多万家，汽车维修业产值4 0 0 亿元。 制造和修复一辆汽车所需消耗的能源和金属材料是十分不同的。以一辆 中型载货汽车为例，制造过程中，零件的材料和加工费用约占7 0 7 5 ，而 在修理成本中，材料和加工费仅占6 一9 。而扩大生产更新车辆的投资额， 通常是大修同样数量车辆所需投资的6 7 倍。在资源有限的今天，汽车的 维修不但能创造很好的经济效益，也能创造很好的社会效益。 汽车在使用过程中，除正常损伤外，如遇到交通事故，无论是车与车相 碰撞，还是车与固定物相碰撞，都可能导致车身的严重损伤。严重损伤的车 身便需要进行车身的校正修复。针对事故车钣金件维修的特点和要求，近几 年来相应的维修设备得到了较大程度的发展。对于车身任意部位的拉伸修复， 都可应用车身矫正设备实现。但在维修过程中，对维修质量的评定，相应的 汽车维修数据的发展，却远远不能满足维修设备的要求。 众所周知，在事故车修复过程中，原车各种参数的测量工作非常重要。 但是，也有很多维修界人士对于修前数据测量工作，尤其对一般性故障或者 非主要部件损伤时的数据测量工作没有给予足够重视，甚至问或不以为然。 其实，无论次要结构还是主要结构损坏，维修前全面而准确的数据测量工作 会大大减少单车的维修工时，提高维修质量。而要达到原车数据，必须要有 原车数据。此系统的研究目的，即是获得车身的原车数据，并以此作为维修 的依据和维修质量的评定标准。 在事故车修复工作中，数据测量工作对于获得精确的测量尺寸、记录维 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 修前后的技术资料、监控整个维修过程、记录实际拉伸作业过程、制定合理 的维修计划，是十分必要的。因为在车身的维修过程中，选择合理的修复方 式是十分重要的。由于车身损伤的复杂性，在车身维修中，做到一次到位， 是不可能的。在传统的维修过程中，主要依靠钣会师傅的经验进行维修，维 修效率低、修复的精度难以保障。甚至很容易产生过量修复，造成二次损伤。 这都会对车身的强度造成比较大的影响，甚至影响行车的安全。 维修前，通过三维激光测量系统i l l ，可以快速、准确的对车身进行测量， 提供车身受损伤后的三维数据。而将受损伤部位的数据与标准数据进行比对， 可评估车身受损伤的程度。从而选择合理的修复方式。 维修中，可对维修过程中的维修点实行监控测量，实时地反映维修的程 度，有效的进行维修质量的控制，并最大程度上避免校往过正。保证维修的 质量，并提高维修的效率。 维修后，可通过与标准数据的对比，评估维修的质量。 本文研究的目的便是应用先进的测量手段，获得车身数据的三维数据， 通过曲面重构的方法1 2 j ，进行车身曲面的重构，为车身的维修提供第一手的 标准参考维修资料，满足在事故车修复： 作中，对数据测量工作日益提高的 要求。提高车身维修的质量，使其到达原车的数据，提高车身修复后的安全 性和可靠性。满足在现代汽车制造条件下对汽车维修业提出的更高要求。 1 2 国内外研究现状 随着汽车技术的迅速发展，汽车已成为体现时代高科技的综合体，因而 靠经验修理汽车的时代己一去不复返了。对汽车维修数据的检索与应用己成 为汽车诊断中重要的和必不可少的环节。 传统汽车维修与现代汽车维修的基本概念和区别： ( 1 ) 传统汽车维修传统汽车维修是以机械修理为核心的手工操作技艺。 传统汽车维修强调修理工艺，并以零部件修复为手段，是总成拆装调整工艺 与零件修复工艺的组合；传统汽车维修的故障检查以定性分析为基础，主要 采用直观检查和少量仪表测量的方法来完成；传统汽车维修过程中技术数据 的应用，主要表现为技术标准的查阅，技术数据的形式为技术标准手册。 ( 2 ) 现代汽车维修现代汽车维修是以机、电、液一体化系统诊断为核心 的综合诊断技术。现代汽车维修突出诊断测量技术，并以准确诊断故障点、 精确测量为目标；现代汽车维修是总成拆装调整工艺与系统诊断、测量技术 哈尔演t ：业大学工程硕士学位论文 的组合；现代汽车维修的故障诊断和测量技术是以定量分析为基础，主要采 用仪器仪表检测、测量分析和部分直观检查的方法来完成；现代汽车维修过 程中技术数据的应用主要表现为维修诊断工艺和技术参数的详细查阅，技术 数据的形式为生产厂家的维修手册或数据光盘。 1 2 1 国内外车身修复中的测量技术和维修技术研究现状 目前国内汽车维修企业，技工技术含量低，遇到复杂的事故车辆时，修 复方法不正确，测量手段跟不上。厂方无过程检测人员，钣金工修复完车辆 无人检查，带病转入下道工序，机修工安装发动机、悬挂时，发现问题未反 映到主管生产经理，只与钣金工操作者进行沟通。钣金工更是胆大，擅自将 下支臂改孔，将轮强制恢复原位( 前轮向左平移) 。试车人员路试时发现平衡 杆转弯时刮铝圈，只作简单的处理，便将修复后的带有质量隐患的车交给消 费者。 而随着汽车制造行业科技水平大面积、大幅度的提高，给汽车修理行业 已提出了一个既严峻又现实的问题一以汽修行业现有的整体维修水平和技术 手段，究竟还能生存多久? 而制约汽修业发展的瓶颈，主要就是先进的维修 检测设备和使用这些设备的人。 面对如此局面，维修业在寻找自身问题的同时，也开始对汽保检测设备 挑起了“骨头”。维修业要想生存，就必须有一个大投入来改变维修检测手段。 但国外的汽车检测设备，一是不适合我们的汽车修理厂用，也没人会用；二 是价格偏高，汽修企业难以承受。 虽然，经过多年的发展，我国的汽保企业现在已经能够开发和生产具有 一定水平的检测诊断设备和测量维修设备，也基本上满足了国内目前近3 0 万家汽车维修企业和上千条汽车检测线的设备需要，但是从总体来看，从国 外现有的汽保技术水平来看，我国的汽车检测诊断设备、测量维修设备方面， 还存在着巨大的差距。与国外发达国家相比，我国目前生产的汽车检测与维 修设备技术水平的主要差距有：产品可靠性差，寿命短，性能不够稳定，故 障多；自动化水平低，有些设备至今还采用手工操作，操作费力；品牌不全， 更新慢，技术含量低，附加价值率低。而现代汽车技术的发展，已经对维修 检测设备提出了更高的要求。 从产品价格方面来看，我国汽保设备由于原材料丰富、劳动较低廉、产 品成本低等特点，价格较有竞争力。但由于我国的汽车保修设备在质量、工 艺、性能等方面的差距，使得产品性能价格比远低于国外产品。随着入世后 进口关税的大幅度降低，国外汽保设备的价格将显示优势。加上一些国外厂 商直接投资办厂，生产出更有竞争力的产品，这一切将对我国的汽保设备行 业带来负面影响。 汽保业界人士认为，尽管入世会对国内汽保行业带来很大影响，但只要 我们能积极面对机遇，沉着应对挑战，仍然大有可为。我国现有汽修企业近 3 0 万家，其中有近8 0 从事专项修理。据市场预测，随着我国机动车保有量 的调整增长，汽车维修企业今后每年将会以1 0 1 5 的速度递增，各种类型 的汽车安全检测站也将在各地陆续建立，预计n 2 0 1 0 年约建成2 5 0 0 个，若按 每条检测线配备2 0 台设备计算，仅用在汽车检测线上的检测仪器，2 0 1 0 年就 可达n s o o o o 台，再加上全国几十万家汽车维修企业的需求量，其数字是可观 的。 那么，我国的汽保行业该如何满足汽修市场的变化呢? 在我国加入w t o 后的日子里，这个问题对汽修和汽保两个关联度十分紧密的行业来说，尤为 突出。我国加入w t o ，汽保设备行业面临着巨大的压力。 而国外的汽车维修测量检测、维修设备的发展，是伴随着其多年的汽车 制造业的发展，逐渐发展完善起来的，在汽车制造业中应用的新技术、新设 备，在汽车维修中都得到了较为广泛的应用。在车身测量修复的测量中，已 形成了较为完善的机械、电子、激光测量设各体系。在汽车维修的标准数据 库方面的建设，更是大大走在了我国的前面。已经形成了很完善的汽车维修 资料，涵盖了几乎所有的车型，所有的维修方面。 1 2 2 国内外曲面重构技术的研究现状 我们知道，描述物体表明形状信息的数学表达式称之为物体的几何模型， 也称为曲面的数学模型，它是对物体进行分析、计算和绘制的根据，是研究 曲面性质的重要工具。构造出物体的几何模型。就是曲面重构，是逆向工程 中最重要的一步。 逆向工程的最终目标是能够从原始物体出发，自动地构造出该物体几何 模型与设计思想，以便于运用现有的c a d 造型工具对其进行再设计，或者利 于快速成型机实现物体的快速仿制。通过曲面重构方法得到的几何模型通常 是用初等解析曲面，自由曲面或网格曲面表示的，因而需要将这些几何模型 转化为边界表示模型等c a d 系统可以接受的表示形式。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 近十年来，随着激光扫描设备的发展，包含被测物体更多细节的海量数 据获取成为可能，并且成为高精细测量建模的发展方向。但对于形状相对复 杂的物体，如具有孔洞、内腔、手柄等造型特点时，一次测量并不能保证数 据的完整性。通常需要对物体进行多次测量，并对测量点集进行合并，因而 并不能保证整个点集的拓扑构型。另外，在某些曲面重建的应用中，数据来 源于c t 扫描，数据是分层组织的。由于数据来源的不同造成数据组织形式的 不一致，多数曲面重构算法都是将数据点作为散乱点，提出了基于散乱数据 点的曲面重构方法”i 。 1 9 9 2 年，h o p p e q b 首先提出了曲面重构这个问题【2 1 ，随后有众多的研究者 在此方面做出了卓有成就的工作。根据重构曲面和数据点云之间的关系可将 曲面重建分为两大类：插值法和逼近法。前者得到的重建曲面完全通过原始 数据点，而后者则是用分片线性曲面或其它形式的曲面来逼近原始数据点， 从而使得得到的重建曲面是原始点集的一个逼近。而根据重建曲面的表现形 式不同又可以将它分为以下五种：参数曲面重构、隐式曲面重构、变形曲面 重构、细分曲面重构和分片线性曲面重构。 ( 1 ) 参数曲面重构方法长期以来，参数曲线曲面一直是描述几何形状的 主要工具，它起源于飞机、船舶的外形放样工艺，由c o o n s 、b 6 z i e r 等大师于 上世纪6 0 年代奠定其理论基础【3 】。c o o n s 曲面、b 6 z i e r 曲面、n u r b s 曲面等不 仅成为几何设计的主要工具，n u r b s 已被作为工业产品数据交换的s t e p 标 准，也作为描述工业产品几何形状的唯一数学方法。基于参数曲面也是曲面 重建中常用的方法。 1 9 9 5 年b a j a j 给出了一种稠密、规则采样数据的曲面重建方法【4j 。它首先 构造一g 1 连续的分片代数曲面作为定义域曲面，计算出它的有向距离场函 数，利用o 【一形得到该定义域曲面的分片线性逼近，并在此定义域曲面上重建 出连续的b e r n s t e i n b 6 z i e r 曲面片作为重建曲面。 1 9 9 6 年e c k 等人提出了用b 样条曲面对任意给定拓扑网格进行重建的方 法”j 。同年，h a l s t e a d 等提出了利用b 样条曲面构造高精度地逼近需要重建的 曲面法向的方法。虽然该方法还不能重建有尖点和棱角的曲面，但是它以b 样条为工具，为包括b 6 z i e r 在内的各种参数曲面参与曲面重建的工作开辟了 道路。 19 9 7 年g u o 提出了一种具有任意拓扑形状的参数曲面重建方法1 “，他首 先利用o 【一形构造出一简单曲面m 使之反映出原曲面的拓扑结构，然后在此基 础上重建出一曲率连续的参数曲面作为重建曲面。 ， ， ，堕尘堡些查耋三堡堡兰堡篓兰， ! 一；：， ! ! 同年，l e e 等人给出了一种用多阶b 样条曲面重建算法| 7j 。它可以对重建 曲面进行多阶表示，以利于重建曲面的多分布率分析与表示。1 9 9 9 年y a n g ；f 1 l e e 提出了一种基于边数据分割的二次参数曲面重建方法悼j 。它首先根据各点 及其邻域内各点的分布计算出该点的法向、曲率等微分信息，从而判断该点 是否位于曲面的边界上，对数据点集进行分割出来，最后对于每一块数据分 别用二次参数曲面逼近。 2 0 0 0 年p i g e l 和t i l l e r 提出了用b 一样条曲面逼近离散采样点的方法一j 。他 们假设经过数据预处理后，采样数据点是一组具有矩形分布形式的点q ， i = 1 ，2 ”，= 1 ，2 m ，从而可以构造出一张c r l ”连续的曲面作为重建曲 面。 同年，f l o a t e r 提出种新的b 样条曲面重建的方法 1 0 j 。它通过将原始数 据点投影到平面参数域上进行参数化后，用b 样条曲面对原始数据点进行最 小平方逼近，所得到的曲面就是重建曲面。作为描述几何形状的主要工具， 参数曲面重建也是最常见的曲面重建方法。 f 2 ) 隐式曲面重建方法在数学和计算科学中，通常也用隐式曲面来定义 几何物体，不等式f ( x 。y ，z ) 0 ，描述了空间中的半空间( 即实体) ，等式 f ( x y ，z 1 = 0 ，可定义该半空间的边界( 即隐式衄面) ，这种曲面表示方法在 几何造型和图形学中也得到了诸多的应用。参数化表示具有许多优点，如计 算曲线曲面的几何量简单，曲线曲面的显示方便，具有离散等优良性质等。 然而，在另外的一些几何操作，如判断一个点是否在曲线或曲面上以及在哪 一侧时，参数表示曲面极为不便，与之相反，隐式化表示给这些操作带来了 极大的方便，同时，隐式化表示在曲线曲面求交方面也有极其重要的应用。 因此，在曲面重建中，也越来越多地使用曲线曲面的隐式化表示。 m u r a k i 在1 9 9 1 年进行的人头曲面重建中，借助势函数的概念，提出用分 片隐式曲面作为工具进行曲面重建的方法1 。 1 9 9 2 年，b a j a j 等给出了插值给定网格的分片代数曲线片的构造方法，并 于1 9 9 6 年将分片代数曲面用于曲面重建1 1 。 1 9 9 5 年，s a p i d i s 等人提出了一基于区域增长的多项式曲面重建方法1 1 ”， 用数目尽量少的，具有z = 厂( t y ) 表示形式的函数曲面片，来逼近三维采样数 据点。 2 0 0 0 年，z h a o 等人提出了一基于类极小曲面模型( m i n i m a l s u r f a c e l i k e m o d e ) 和p d e ( p a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n ) 方法的隐式曲面重建方法【1 。以原始 ，窒垒堡三些查兰三堡堡圭兰堡兰圣! ：，： 。! 一 数据点集的距离场的某等势集作为初始曲面，让他沿一给定的能量方程的梯 度流方向连续变化，最终得到的曲面就是重建曲面。 2 0 0 1 年，c a r r 等人提出了用多项式径向基函数( r b f ，r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ) 重建曲面的方法【l “。同年，z h o u 等人提出了一种用带指数函数的超二次曲面 进行曲面重建的方法”。 ( 3 ) 变形曲面重建方法许多复杂曲i 面都是由多张瞌面拼接构成，无法用 一张参数曲面或隐式曲面的将其重建出来，也有的血面形状特别奇特，用参 数曲面或隐式曲面来表示则显得格外复杂，近年来有人提出了一种变形曲面 重建技术，通过事先确定一初始拓扑结构，构造一初始曲面，让它沿着一定 的方向进行形变，最终得到的曲面作为最终的重建曲面。 m i l l e r 等人于1 9 9 1 年提出了一种几何变形模型进行闭曲面重建7 1 。先将 一种小模型放入需要重建的闭曲面内部，然后让其膨胀变形，同时以要重建 的曲面上的采样点作为对膨胀变形的约束条件。当几何模型的变形达到某一 平衡点时，就得到该曲面的数学模型。 r u p r e c h t 和w i t k i n 等人则是通过赋予曲面一定的物理属性，例如，质量、 刚度等，曲面的变形通过模拟曲面的受力情况来定义。曲面的物理属性和外 力的综合作用，使得曲面最终变形为所求的重建曲面8 1 。 t u r k 和o b r i e n 提出了一类利用二维物体隐式形变技术对切片数据进行 曲面重建的方法1 1 。它的数据点来源于医学图像的c t 切片，通过建立各切片 间的过渡随面来实现整张曲匦的重建。 w h i t a k e r 和b r e e n 将l e v e ls e t 方法引入曲面重建当中，提出了一类基于 l e v e ls e t 模型的曲线重建方法| 2 0 i 。 ( 4 ) 分片线性曲面重建方法分片线性曲面也称网格陷面。由于计算机技 术的发展，计算机的存储技术的进步，使得计算机能够处理更多的数据；同 时，许多c a d 造型系统和快速原型制造系统的数据输入输出也逐步采用多边 形表示模型，以d f x 和s t l 格式文件来进行，另一方面，网格曲面也更加有 利于曲面的计算机显示。因此，在曲面重建中，越来越多的人提出了网格曲 面方法。 曲面重建问题最先由h o p p e 于1 9 9 2 年提出 2 1 1 ，该文通过各采样点的局部 信息自动计算各点处的法向信息，用切平面线性逼近待重建曲面的局部模型， 建立离散点集的距离场函数，然后利用实现等值面抽取的m c ( m a r c h i n g c u b e ， 步进立法体) 算法得到它的三角片逼近曲面，并以此曲面作为所需的重建曲 面。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 a m e n t a 等于1 9 9 8 年提出了一种基于v o r o n o i 图的网格曲面重建算法【2 “。 它通过构造采样点集的三维v o r o n o i 图，利用d e l a u n a y - - 角化的方法来重建曲 面。通过该方法得到的重建曲面精确的通过每一个原始采样点。 b r a d l e y 于2 0 0 1 年提出了一种依赖种二于点增长的网格曲面重建算法 2 3 i 。它 从选定的种子点开始，通过候选点与当前网格的可见关系来判断该点是否在 网格上以及确定它的连接关系，最终获得一张或多张网格曲面作为所求的重 建曲面。 同年，f l o a t e r 提出了无网格参数化地曲面重建算法f 2 。它首先将原始数 据点集投影到平面上，并运用平面d e l a u n e y ：角化的方法将投影点集分割为 一个个三角形，从而得到各点集的连接关系。最后根据投影点集的连接关系 确定各原始数据点间的拓扑连接，所得到的三角网格曲面即为重建曲面。 网格曲面作为一种曲面表示形式由于具有简单、统一的优点，已成为一 种重要的曲面表示方法。用网格曲面进行曲面重建也得到了众多研究者的关 注【2 5 】。 ( 5 ) 细分曲面重构方法为了解决具有复杂拓扑形状的曲面重构问题，人 们提出并发展了细分曲面重构方法。细分曲面是一类采用组成曲面的多边形 网格的点、线、面及拓扑信息完整地描述地衄面。它从初始多面体网格开始， 按照某种规则，递归地计算新网格上的每个顶点，这些顶点都是原网格上相 邻的几个顶点的加权平均。随着细分的不断进行，控制网格被逐渐磨光，在 一定条件( 一定的细分规则) 下，细分无穷多次之后多边形网格将收敛到一张 光滑曲面。细分曲面的最大优点就是算法简单，并且几乎可以描述任意复杂 的曲面，基于细分曲面的重建方法在特征动画设计和复杂的雕塑曲面重建中 得到了高度的应用。 1 9 9 4 年h o p p e 等人提出了用细分曲面进行曲面重构的方法1 2 。该方法分 为三个步骤：首先，构造一由大量三角面构成的三角网格作为原始点集的逼 近；然后，对该三角网格进行优化，减少网格顶点，提高拟合精度；最终， 通过调整控制网格的顶点数目、位置与连接关系，从而得到最终的重建曲面。 该方法对于重建带有尖锐特征边以及具有任意拓扑形状的曲面可获得满意的 效果。 出于计算机技术的进步和人们对细分曲面研究的进展，细分技术获得了 长足的进步，越来越多的研究者讨论了如何用细分曲面拟合或插值散乱点， 进行曲面重构的问题【2 “。 f 6 ) 其它曲面重构方法人们在发展了曲线曲面的多种表现形式的同时 也创造出了不同曲面重构技术和方法。此外，由于数据点集的采样方式不一 致造成了不同的数据组织形式，从而也导致了重构方法的不同，基于网格简 化的曲面重构方法l ”1 ，基于截面线的曲面重构方法1 29 j 【3 0 】，基于距离场插值的 曲面重建方法【3 ”，基于硬件技术的曲面重建方法p “，基于体绘制技术的曲面 重建方法 3 ，扫成面、旋转面等特殊曲面重建方法 3 4 3 6 1 。随着逆向工程的发 展，还将有越来越多的新的曲面重构技术发展出来。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究主要内容包括： ( 1 ) 车身测量方法、测量基准的选择； f 2 ) 确定三维激光测量系统的测量方法及车身曲面重构方法； ( 3 ) 利用三维激光测量系统进行完好车身瞌面的测量，将测量得到的大 量数据，运用合适的曲面重构方法，进行车身曲面的重构； ( 4 ) 对激光测量和曲面重构进行误差分析，对误差产生的原因，提出合 理的解决方案； ( 5 1 将重构的车身曲面，组成标准的车身数据库，作为车身维修的标准 数据。 哈尔滨t 业大学工程硕士学位论文 第2 章车身测量系统 汽车各主要总成在车身上的装配连接部位，都有严格的尺寸要求，这对 汽车各项技术性能的发挥有着十分重要的影响l j ”。例如，汽车前悬架支承点 的位置正确与否，会直接影响前轮定位角和汽车的轴距尺寸；发动机支承点 与车身控制点的相对位置，则会影响到发动机和传动系统的正确装配，如有 偏差会造成异晌甚至零件损坏。 而在车身设计与制造中设有多个控制点作为组焊和加工的定位基准。这 些基准孔，可测量车身上各个控制点之间的尺寸，如果测量值超出规定的极 限尺寸时，就应对其进行矫正，使之达到技术标准规定范围。 车身的外覆盖件，在汽车整车产品中，一般具有形状复杂、结构尺寸大、 材料厚度相对较小、成型质量高、表面的曲线和曲面光顺性好等特点。对其 进行维修如果只凭肉眼的观察，很难确定合适的修复方案。更难保证修复的 精确性。所以，必须结合精确的测量，才能保证修复到原车数据。 2 1 车身修复中的测量方法 1 参数法测量参数法测量是以车身图纸或技术文件作为依据标准，汽 车车身尺寸图中，一股都注明了车身上特定的测量点。以此数据为标准，对 车身的定位尺寸进行测量，可以准确地评估变形及其损伤的程度，是比较可 靠也较为常用的方法。以图纸给定尺寸为标准的参数法，在车身测量中，其 定向位置要求，用点与点之间的距离来体现；其对称性要求，以理论轴线( 或 点) 与实际对称轴( 或点) 的相对位置来体现。 2 对比法测量对比法测量是以相同汽车车身的位置参数作为依据标 准。当然所选择的车身应完全符合技术文件要求的状况，必要时还可以通过 增加台数来提高依据标准的精确性。由于对比法需要操作者根据情况量取有 关数据，选择哪些测量点、数据链作为车身定位参数的依据标准，是一个值 得研究的问题。对此，运用对比法时应遵循以下原则：1 ) 利用车身壳体或车 架上已有的基准孔，找出所需的定位参数值：2 ) 以基础零件和主要总成在车 身上的正确装配位置为依据。 比照其他同类车型车身图中标示方法、来确定参数的量取方案。与参数 法相比，对比法测量可靠性较差这就要求应尽可能将测量误差限制在最小范 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 围内，防止因累计误差的增加而影响最终的修复质量。 如果没有可供参考的图纸和车身作为对比标准，也可利用车身构件对称 性的特点，进行对角线比较法和长度比较法的测量。但这种方法仪适合损伤 程度不大的变形，并要求将两者结合起来进行综合评价才能判明损伤。 3 三维法测量三维数据的测量技术可概括为接触方法和非接触方法。 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地布点，从而记录下路径点的坐标值。它具有噪声 低、精度高( 可达o 5 9 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 微细表面是无法测及的，不易获得连续的坐标点。测量数据的特点是高精度 低密度。 非接触式测量法可分为光学法、工业c t 、超声波法和磁共振( m r i ) 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 显示技术不断地涌现，相应的测量方法有相位法，深度图像法，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，解调变形光栅图像，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p 。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像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， 曲面变化较大的地方，会出现大的偏差，测量精度较低。 第三类是激光坐标测量机。光学和激光测量机具有速度快、精度高的优 点。由于测量时不接触，所以对被测物体的材质和形状没有特殊限制。其中 三维激光测量是继接触式三坐标测量之后发展非常迅速的一种测量技术。 本文采用三维激光测量方式进行车身曲面的三维测量，以提高车身修复 中的测量速度和精度。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 2 车身修复中的测量基准 车身修复中，测量基准的选择原则有： ( 1 ) 中心线和中心面原则利用一个假想的具有空间概念的直线和平面， 将车身沿宽度方向截为对称的两部分，则这一直线和平而即为中心线和中心 面。车身上各点通常是沿中心面对称分布的，因此所有宽度方向上的尺寸参 数及测量，都可以该中心线或中心面为基准。 ( 2 ) 基准面原则车身设计时，通常是先选定一水平基准面，车身上各对 称平行点所形成的线或面与之平行。车身图纸上沿高度方向所标注的尺寸， 都是车身各部位与水平基准面间的距离，即基准面是所有高度尺寸的基准。 在车身修理中，同样可以利用基准面作为车身高度尺寸的测量基准。 ( 3 ) 零平面原则根据承载式车身整体应力壳体式结构的变形特点和损 伤规律，测量时将车身分为前、中、后3 部分和左右对称2 部分的界面，称 为零平面，如图2 1 。零平面的变形可以理解为最小。以车身中间段为例， 当车辆发生碰撞事故时，损伤最轻的部位通常是车身中间段的对称中心，如 果依此为基准测量，就可以得到可靠的检查与测量结果。 图2 - 1 车身的3 个零平面 车身维修中主要应用中心线、中心面原则和基准面原则，零平面原则 作为修复参考的依据。本系统的激光测量设备通过坐标转换，将车身曲面重 构模型的基准转换为以中心线、中心面和基准面为基准。 ，：， ，一，堕尘堡三竺查兰三堡堡圭耋堡篁圣 ， 2 3 车身的激光测量系统 2 3 1 激光测量系统的测量原理 本文的激光测量系统采用激光三角法，激光三角测量的基本原理是出半 导体激光器发出的激光通过聚光透镜在被测曲面上结成光点并反射，光敏元 件( 如c c d ) 接收其散射光，根据其在c c d 上的位置，即可测出被