（机械制造及其自动化专业论文）三维扫描系统点云数据拼合研究.pdf

江苏大学高校教师硕士学位论文 摘要 近年来，随着计算机、传感器、控制等技术的发展，非接触式光学测量方法 被公认为是逆向工程中最有前途的不规则曲面测量方法，它不仅具有测量速度快 的显著优点，而且能很好地适应r p m 的需要。本文就是以德国g o m 公司研发的 a t o si i 流动式光学扫描仪为主要设备，研究其工作原理，探索其三维数据拼合 技术。由于国外先进技术的保密性，许多关键技术不能知晓，为了更好地使用该 设备，吸收和消化该设备中的先进技术，本人选择了三维扫描系统点云数据拼合 研究为课题，对开发我国的三维扫描测量设备，具有一定的参考价值和实用价值。 本文概述了逆向工程技术和用途，阐述了现代测量方法，查阅资料得出 a t o s 流动式光学扫描仪的工作原理是：立体视觉摄影测量和结构光光栅投射法 原理；探索立体视觉摄影测量的相机标定问题，建立成像数学模型；应用标定板 和十字架作为标定物，对a t o si i 扫描头的标定过程进行了实践；研究a t o si i 扫描头标定后三维扫描系统点云数据的采集方法、系统点云数据拼合理论：得出 a t o s 扫描系统数据拼合理论是i c p ( i t e r a t i v ec l o s e dp o i n t ) 算法和最d x - 乘法拟合 的理论；a t o s 扫描系统数据拼合实现是通过公共参考点进行点云数据拼合转换 的，并应用实例对多种扫描数据拼合方法进行了实践：对于无公共参考点的薄壁 零件，提出了一种“搭桥”建立公共点的方法，并通过实践证实了“搭桥”方式 的可行性，该“搭桥”方式的拼合过程充分体现了i c p 算法步骤；借助于横向课 题汽车扫描，讲述了对于大型实物的扫描，需应用t r i t o p ( 高分辨率的数码相机) 在t r i t o p 系统中，先生成定位文件，此定位文件相当于全球卫星定位系统，再 由a 1 o s 系统单幅扫描，扫描数据自动合并在t r i t o p 系统的定位文件下。 关键词：逆向工程，三维测量，数据拼合，参考点 江苏大学高校教师硕士学位论文 a bs t r a c t t h e s ey e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n ds e n s o rt e c h n o l o g y , n o n - c o n t a c to p t i c a li n s t r u m e n tc a m et ou s ei nd a t ao b t a i no ft h er e v e r s ee n g i n e e r i n g t h em e t h o dh a sb e e na c c e p t e da st h em o s ta d v a n c em e a s u r i n gm e t h o di ni r r e g u l a r g e o m e t r i cf e a t u r e s t h em e t h o dn o to n l yh a sh i g hm e a s u r i n gs p e e d ，b u ta l s o s u i tt o r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rs e l e c ta t o so p t i c a ls c a n n e rm a d eo f g o m c o m p a n yi ng e r m a n ya st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n dt h em a i n l yr e s e a r c h e sf o c u so n t h em e a s u r i n gp r i n c i p l e so ft h ee q u i p m e n t ，s t u d y i n gt h em u l t i p l e v i e wp o i n tc l o u d s c o m b i n a t i o nm e t h o do ft h et h r e e d i m e n s i o n a ls c a n n i n gs y s t e m s i n c et h es e c r e c yo f t h ea b r o a da d v a n c et e c h n o l o g yt oo u rc o u n t r y , w ec a n tg e tt h ek e yt e c h n i co ft h e s y s t e m ，s ois e l e c tt h et o p i ct os t u k h es v s t e mi no r d e rt ot h eb e s tu s ei ta n da b s o r b a d v a n c e dt e c h n o l o g y t h i ss t u d ya k - l a sg r e a tm e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u et o d e v e l o pn o n - c o n t a c tt h r e e - d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gm a c h i n eo f o u rc o u n t r y t h i s p a p e rf i r s t i n t r o d u c et h et e c h n o l o g ya n dt h e a p p l i c a t i o no fr e v e r s e e n g i n e e r i n g ，g i v et h eb r i e fs t a t e m e n to f t h em o d e mm e a s u r e m e n tw a y s ，a f t e r r e v i e w i n gt h ed a t at h e nd r a wac o n c l u s i o nt h a tm e a s u r i n gp r i n c i p l e so ft h ea t o s f l o w i n go p t i c a ls c a r m e ra r es t e r e ov i s u a lt e c h n o l o g ya n df r i n g ep a t t e r no fs t r u c t u r e d l i g h tp r o j e c t i o n i tc o n t a i n st h er e s e a r c ho ns e n s o r c a l i b r a t i o no fs t e r e ov i s u a l t e c h n o l o g yt oe s t a b l i s ht h en u m e r i c a ld e s c r i p t i o n ；p r a c t i c et h ec o u r s eo ft h es e n s o r c a l i b r a t i o no f t h ea t o ss y s t e mb yp a n e la n dc r o s s t h et h e o r yt h a td r a wac o n c l u s i o n o fr e g i s t r a t i o no nm e a s u r e dp o i n tc l o u dd a t ao fa t o ss y s t e mi si c p ( i t e r a t i v ec l o s e d p o i n t ) a l g o r i t h ma n dl e a s t - s q u a r ep r i n c i p l e ：t h ei n d i v i d u a lm e a s u r e m e n ti m a g e so f a t o ss y s t e ma r em e r g e di n t oo n ec o m m o nc o o r d i n a t es y s t e mv i ac o m m o nr e f e r e n c e p o i n t s p r a c t i c em a n yw a y sc o m b i n a t i o nm e t h o df o rm u l t i p l e - v i e wp o i n tc l o u d s i t a l s oc o n t a i n st h er e s e a r c ho nc r e a t i o no fc o m m o nr e f e r e n c ep o i n t sw i t h b u i l d i n g b r i d g e t oat h i nr e a lc o m p o n e n t t h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d si sv a l i d a t e d w i t h ac a rm e a s u r i n go fc r e s st o p i c ，i n t r o d u c t i o no ft h el a r g u eo b j e c tm e a s u i n gm u s tb e u s e dt r i t o p f i r s tc r e a t ea no r i e n t a t i o nf i l e i t ss i m i l a r l yw i t l lg l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，t h e ns i n g l em e a s u r e m e n t sb ya t o ss y s t e mc a l la u t o m a t i c a l l yt r a n s f o r m si n t o ac o o r d i r m t es y s t e mi nt r i t o p 江苏大学高校教师硕士学位论文 k e y w o r d s - r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，3 - dm e a s u r e m e n t ，r e g i s t r a t i o no nm e a s u r e d p o i n tc l o u dd a t a ，r e f e r e n c ep o i n t i n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蚤沁丢 日期：砷年；月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密区 指导教师虢绷盈 彤尹年参h t o h 互“ 给孙 咽 签 ， 皆 月 作 定论 年 位7| | 1 江苏大学高校教师硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 当今，世界的科学发展日新月异，每年的新技术和新产品都以指数级数的速 度递增【1 1 ，特别是世界范围内的信息高速公路的开通，为各国的技术交流创造了 条件，学习和借鉴别国的先进技术、引进先进的技术装备已成为各国提高科技和 生产力水平的重要途径。特别是技术落后的国家要迅速赶上发达国家，只引进不 对引进技术进行消化、吸收、改进和创新，那么只会永远落后。逆向工程技术是 适应这种要求迅速发展起来的一门新型学科。它消化和吸收一系列先进技术的技 术组合，是- 1 7 跨学科、跨专业的综合性工程；它1 2 1 以产品原型、实物、软件 ( 图样、程序、技术文件等) 或影像( 图片、照片等) 等作为研究对象，应用系 统工程学、产品设计方法学和计算机辅助技术的理论和方法，探索并掌握支持产 品全生命周期设计、制造和管理的关键技术，进而开发出同类的或更先进的产品。 所以逆向工程不仅是仿造，而且是一个创新的过程。对于我国这样一个发展中国 家，引进国外的先进技术，并用逆向工程技术消化和吸收，是缩短与发达国家差 距的重要手段之一。 1 2 逆向工程技术概述 1 2 1 逆向工程简介 逆向工程技术是2 0 世纪8 0 年代后期出现在先进制造领域罩的新技术，是数 字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是c a d 领域中一个相对独立的 范畴。目前所称的逆向工程 4 1 ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，简称r e ) 是针对一现有工 件( 样品或模型) ，利用三坐标数字化测量仪准确、快速地将物体的三维坐标数 据以数据点集的形式获取得到，再经过数据处理、构建曲面、编辑、修改后，传 送至通常的c a d c a m 系统作迸一步的设计，再由c a d c a m 系统生成刀具的 n c 加工轨迹传送至c n c 机床制作所需模具，或者生成s t l 文件传送到快速成 型机将样品模型制作出来，也可由c a d 生成机械加工用的图纸，再由传统机床 加工出产品零件，这一流程称为逆向工程，其流程如图1 1 所示。实施逆向工程 可以充分发挥先进坐标测量设备的优越性，使其既可以作为产品设计所需要的前 置输入装置，又可作为c a d c a m 系统处理后模型的误差评估装置。 江苏大学高校教师硕士学位论文 图1 - 1 逆向工程系统囹 利用逆向工程技术可以给现代工业带来三大变化 s l ：( 1 ) 大大缩短产品研制 周期( 可以缩短4 0 以上) ；( 2 ) 精确加工出复杂零件：( 3 ) 有效地将各种现代 化工具和理论应用到具体问题，解决从前难以解决的问题。 逆向工程简单概括为三个基本环节：物理模型数据的获取、c a d 模型的建 立、c a m 制件成型。由此可知，快速获取物理模型数据是快速逆向工程的基础。 1 2 2 逆向工程数据采集 物理模型数据的采集是指采用某种测量方法和设备，测出实物各表面的若干 组点的几何坐标。在数据采集技术中，根据测量探头或传感器是否和被测物体表 面接触，将数据采集方法分为接触式测量方式和非接触式测量方式。接触式测量 方式是以传统的三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，简称c m m ) 为代 表。接触式测量的精度一般较高，对物体表面的颜色和光照没有要求，物体边界 的测量相对精确，可以在测量时根据需要进行规划，从而做到有的放矢，避免采 集大量冗余数据，缺点是测量速度慢，测量效率低，对软质材料适应性差，需作 测头半径补偿，精度高的三坐标测量机工作时环境要求较高等。近年来，随着计 算机、传感器、控制等技术的更新，非接触方式的测量方法由于在测量速度方面 具有明显的优势，在逆向工程中被公认为是最有前途的不规则曲面测量方法。光 学方法是非接触式测量方法中应用最广泛的一种方法，基于光学方法的测量设备 目前在逆向工程中应用最为广泛，它不仅具有测量速度快的显著优点，而且能很 好地适应快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，简称r p m ) 的需要。 如 6 】：结构光照法、激光三角形法、激光测距法、干涉测量法及图像分析法是常 用的五种光学方法。a t o s 流动式光学扫描仪是德国g o m 公司开发生产的数字 化测量系统，它是机器立体视觉测量原理和结构光光栅投射法原理的综合，采用 2 曷 一一 嚣 江苏大学高校教师硕士学位论文 了数字摄影测量 7 1 t 嗍和光栅空白j 编码测量m z o l 1 q 技术。相对于其它三维测量方 法，它同时具有数字摄影测量的高效率和光栅测量精度好的优点，它代表了三坐 标测量机向着高速度、高精度、系统化、集成化、智能化的发展方向。 1 2 3 逆向工程技术用途 在产品造型日益多元化的今天，逆向工程已经成为产品开发中不可或缺的一 环，其用途包括i ”l ： ( 1 ) 在对产品外形的美学有特别要求的领域，为方便评价其美学效果，设 计师广泛利用油泥、粘土或木头等材料进行快速且大量的模型制作，将所要表达 的意象以实体的方式呈现出来，此时就必须引入逆向工程技术，根据造型师制作 出来的模型，快速建立三维c a d 模型： ( 2 ) 当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程 的方法，比如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先 要求在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试( 如风洞实验等) 建立符 合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终确认的 实验模型必须借助逆向工程，转换为产品的三维c a d 模型及其模具； ( 3 ) 在没有设计图纸或者设计图纸不完整、以及没有c a d 模型的情况下， 在对零件原形进行测量的基础上，形成零件的设计图纸或c a d 模型，并以此为 依据生成数控加工的n c 代码或快速原型加工所需的s t l 数据，复制一个相同 的零件； ( 4 ) 在模具行业，常需要通过反复修改原始设计的模具型面，以得到符合 要求的模具。然而这些几何外型的改变，却往往未曾反应在原始的c a d 模型上。 借助于逆向工程的功能和在设计、制造自j 所扮演的角色，设计者现在可以建立或 修改在制造过程中变更过的设计模型； ( 5 ) 很多物品很难用基本几何来表现与定义，例如流线型产品、艺术浮雕 及不规则线条等，如果利用通用c a d 软件、以正向设计的方式来重建这些物体 的c a d 模型，在功能、速度及精度方面都将异常困难。这种场合下，必须引入 逆向工程，以加速产品设计，降低开发的难度； ( 6 ) 逆向工程在新产品开发、创新设计上同样具有相当高的应用价值。为 了研究上的需求，许多大企业也会运用逆向工程协助产品研究。如可以直接在已 有的国内外先进的产品基础上，进行结构性能分析、设计模型重构、再设计优化 与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术，极大地缩短产品开发周期，有效 江苏大学高校教师硕士学住论文 地占领市场； ( 7 ) 逆向工程也广泛应用于修复破损的文物、艺术品，或缺乏供应的损坏 零件等。此时，不需要复制整个零件，只是借助逆向工程技术抽取原来零件的设 计思想，用于指导新的设计； ( 8 ) 特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需 首先建立人体的几何模型； ( 9 ) 在r p m 的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以 方便地对快速原型制造的原形产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足， 进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善。 现代逆向工程技术除广泛应用在上述的汽车工业、航天工业、消费性电子产 品等几个传统应用领域外，也开始应用于休闲娱乐方面，比如用于立体动画、多 媒体虚拟实境、广告动画等：另外在医学科技，如入体中的骨头和关节等的复制、 假肢制造、人体外形量测量、医疗器材制作等，也有其应用价值。 1 3 逆向工程国内外研究状况 把逆向工程作为一门学问去研究是从2 0 世纪6 0 年代开始，到了2 0 世纪8 0 年代后期，逆向工程技术出现在了先进制造领域垦。当今，逆向工程技术作为一 种新产品开发的重要手段正受到广泛的重视，一些重要的国际手国内的学术会议 都将逆向工程及楣关技术讨论作为一个重要的会议专题i ”j ，如g e o m e t r i c m o d e l i n g a n dp r o c e s s i n gs e r i e s 、i e e et r a n s a c t i o n so ni m a g ea n a l y s i sa n d m o d e l i n g 、s i g g r a p h 和s p i e 等会议。著名的c a d 杂志也在1 9 9 7 年编发了 一个逆向工程研究专集。从重要文献和会议情况看，国内外已形成了一批长期从 事逆向工程研究的单位和个人。目前逆向工程已发展为c a d c a m 系统中的一 个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几 何造型和数字化制造等。除机械领域外，三维测量、模型重建技术还用于医学、 地理、考古等领域的图像处理和模型恢复。 意大利、德国、英国、美国、日本等工业强国在逆向工程方面的研究依然走 在世界的前列，他们对逆向工程技术进行了更为深入地研究，并取得了巨大的经 济效益，开发出一系列可用于逆向工程的高精度三坐标测量机、接触式和非接触 的扫描仪、激光跟踪仪等。 世界上第一台现代意义上的三坐标测量机【1 4 j 是在1 9 5 6 年英国f e m m i 公司 开发的，以光栅作为长度基准并用数字显示的。1 9 6 2 年，f l a t ( 菲亚特) 汽车公 4 江苏大学高校教师硕士学位论文 司质量控制工程师f r a o r i n c os a t t o f i o 先生在意大利都灵市创建了d e a ( d i g i t a l e l e c t r o n i c a u t o m a t i o n ) 公司，成为世界上第一家专业制造坐标测量设备的公司。 1 9 6 3 年l o 月，d e a 公司制造出世界上第一台龙门式测量机，开创了坐标测量技 术的新领域。三坐标测量机是一类使用得最为广泛的接触式测量设备，在其他设 备尚未实用化时，它是逆向工程的研究重点。近十年来，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，出现了各种各样的样件表面的几 何数据获取方法。非接触式测量方法主要是基于光学、声学及磁学等领域中的基 本原理，将一定的物理模拟量通过一定的算法转化为样件表面的坐标点。基于光 学方法的测量设备目前在逆向工程中应用最为广泛，如a t o s 光学扫描测量系 统主要应用于逆向工程、扫描测量后直接输出s t l 文件及c a d 数据用于仿形铣 加工或快速成型、测量数据与原有c a d 模型作公差比较等。 我国三坐标测量机的研制【1 4 1 开始于2 0 世纪7 0 年代中期，研制单位有北京 航空技术研究所、上海机床厂等，由于各种困难，没有形成产品。到了8 0 年代， 许多公司引进国外的生产许可证进行生产，如北京航空技术研究所取得意大利 d e a 的许可证，生产i o t a 系列测量机，上海机床厂和新天光学仪器厂分别购 买了德国l e i t z 的p m m 许可证，鉴于成本等因素，除i o t a 机型外，其它机型 均没有批量生产。在1 9 9 3 年，青岛前哨与荷兰i n d i v e r s 公司合资成立了中国 第一家测量机合资公司青岛前哨英柯发测量设备有限公司( q it e c h ) ，通 过中外工程技术人员的共同努力，先后开发出具有国际先进水平的多个测量机产 品，从1 9 9 6 年，q it e c h 公司开始稳居国内测量机市场，产品销往英国、韩国、 新加坡等9 个国家和地区。1 9 9 9 年8 月，前哨与世界三大测量机制造商公司之 一的b r o w m s h a r p e 集团合资，成立了青岛前哨朗普测量技术有限公司 ( b r o w m s h a r p e 前哨) ，成为世界知名测量机集团全球战略的一部分。进入 2 1 世纪，随着b r o w m s h a r p e 集团被瑞典h e x a g o n 集团收购，b r o w m s h a r p e 前哨与其它世界知名的测量机品牌：美国b r o w m s h a r p e 、意大利 e d a 、德国l e i t z 、美国s h e f f i e l d 、瑞典c ej o h a n s s a n 以及著名的测量 软件p c d m i s 专业开发商w i l c o x 和精密量具量仪制造商瑞士t e s a 公司、 关节臂测量机专业制造商法国r o m e rs a 以及美国c i m c o r e 公司一道而成为 h e x a g o n 计量集团的重要成员和生产制造基地之一，成为h e x a g o n 计量集 团在亚太地区的重要研发、生产、技术支持基地。2 0 0 4 年6 月，b r o w m s h a r p e 前哨更名为海克斯康测量技术( 青岛) 有限公司。 除c m m 外，我国在三维扫描技术的应用领域还非常平泛。主要是因为国内 江苏大学高校教师硕士学位论文 许多单位对三维信息获取理论和相关技术的研究工作大多局限于学术研究或样 品阶段【”1 ，在生产上的应用并不多，产业化情况更差。令人欣慰的是，华中科 技大学图像识别与人工智能研究所和邦文文化发展公司经过近两年的努力，合作 研制成功了我国第一台小型三维激光彩色扫描系统3 d l c s 9 5 ，并于1 9 9 6 年和 1 9 9 8 年获得两项国家专利。我国在高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中也明确 提出了研制三维扫描仪的计划，由清华大学、西北工业大学和山东大学共同承担 了这一任务，这必将对我国三维扫描技术的发展起到很大的推动作用【1 6 】。 1 4 论文选题背景和意义 2 0 0 4 年9 月我校购买了目前市场上逆向工程中测量精度高、测量范围大、 智能化程度高、测量速度快的非接触式测量方法的a t o si i 流动式光学扫描仪， 该设备是德国g o m 公司研发的产品，由于国外先进技术的保密性，许多关键技 术不能知晓，为了更好地使用该设备，吸收和消化该设备中的先进技术，本人选 择了以a t o si i 光学扫描仪为主要设备，研究其工作原理，探索其三维数据拼合 技术为课题，此课题的研究对开发我国的三维扫描测量设备，具有一定的参考价 值和实用价值。 据统计，各国7 0 以上的技术源于国外【1 7 1 。德国是在逆向工程技术研究方 面走在世界前列的工业强国之一，研究他们开发的测量设备，对我国逆向工程技 术水平的提高具有积极的意义；研究他们开发的先进测量设备，了解当今世界先 进、快捷的测量方法和手段，借鉴他们的先进技术，提高我国的科学研究和制造 技术水平。 引进先进技术并进行逆向工程的研究，最直接的效益是比自己探索创造成本 低，且赢得了宝贵时间，是加快发展的捷径。这对于尽快缩短我国与发达国家在 科技水平上的差距将起到积极的推动作用。 1 5 本学位论文研究内容 本文是关于三维扫描系统点云数据拼合的研究。以a t o s 流动式光学扫描 仪为主要设备，研究其工作原理，立体视觉摄影测量和结构光光栅投射法原理， 探索立体视觉摄影测量的相机标定问题，建立成像数学模型，研究标定后三维扫 描测量系统点云数据采集方式，系统数据拼合方式和系统数据拼合理论。 6 江苏大学高校教师硕士学位论文 1 6 本学位论文结构安排 论文按照逻辑顺序分为五章：第一章绪论，包括引言、逆向工程技术概述、 逆向工程国内外研究状况、论文选题背景和意义、本学位论文研究内容、本学位 论文结构安排；第二章数据采集方法概述和a t o s 工作原理，包括接触式测量 和非接触式测量的多种现代测量方法的概述，立体视觉摄影测量方法和结构光光 栅投射法原理介绍；第三章三维扫描系统标定，包括标定概述、标定物的类型、 a t o s 标定方法选择和a t o s 系统标定过程实践；第四章三维扫描系统点云数据 拼合，包括系统数据拼合方式和系统数据拼合理论，a t o s 系统点云数据拼合实 现是通过公共参考点，并应用实例对多种扫描数据拼合方法进行了实践；对于无 公共参考点的薄壁零件，本人提出一种“搭桥”建立公共点的方法，并通过实践 证实了“搭桥”方式的可行性，该“搭桥”方式具有扫描数据完整的优点，“搭 桥”方式的拼合过程充分体现了i c p 算法步骤，即对于有重合区域c 的两个独 立点云数据a 和b 的拼合转换过程；借助于横向课题汽车扫描，阐述了对于大 型实物的扫描，需应用t r i t o p ( 高分辨率的数码相机) 在t r i t o p 系统中，先 生成定位文件，再由a t o s 系统单幅扫描，扫描数据会自动合并在t r i t o p 系 统的定位文件下；第五章总结和展望。 7 江苏大学高校教师硕士学位论文 第二章数据采集方法和a t o s 工作原理概述 数据采集是指采用某种设备和测量方法获取实物表面的几何坐标，并将所获 数据存储或输出。数据采集技术是逆向工程中的第一个环节，是数据处理、模型 重建的基础，高效率、高精度地采集样件的外形数据是逆向工程的一个重要内容。 实际应用中，选用不同的测量方法可以导致所采集到的同一样件模型的数据在速 度、精度及完整性等方面具有很大差别，因此，测量方法的选用是逆向工程数据 采集技术中的一个重要问题。 2 1 现代测量方法概述 随着科学技术的不断发展，测量技术也随着新的物理原理、新的技术成就的 不断引入而获得了长足发展。现代测量方法除传统的c m m 测量机接触式测量 外，还有非接触测量的光学、声学、磁学和逐层扫描测量方式，如图2 1 所示。 2 1 1 接触式测量 图2 - 1 现代测量方法分类 接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置。 它可以细分为点触发式和连续式数据采集方法。点触发式测头又称为开关测头。 当触发式测头探针刚好接触到模型表面时，探针尖的微小移动便会触发采样头的 开关，使数据采样系统记下探针尖( 测球中心点) 的坐标值，这样逐点移动，就 采集了一个轮廓的坐标数据。由于触发式测头，每一次获取被测物体表面上一点 的x ，y ，z 坐标值，这种测量速度很慢，也难测到较全面的曲面信息。2 0 世纪 9 0 年代初，英国雷尼肖r e n i s h a w 公司和意大利d e a 公司等国际知名坐标测量 机制造商先后研制出了三维力位移传感器的扫描测量头，该测头可以在工件 江苏大学高校教师硕士学位论文 上进行滑动测量，连续获得表面的坐标信息，其扫描速度最高可达8 m m i n ， 数 字化速度最高可达5 0 0 点s ，精度也可达o 0 3 m m i 墉l 。扫描式采用模拟量采样头， 利用悬挂在三维弹簧系统中探针的位置偏移所产生的电容或电感变化，进行机 电模拟量的转换。当采样头的探针沿着模型表面以某一切向速度移动时，就发出 对应各坐标偏移量的电流或电压信号。由于数据采样过程是连续进行的，速度比 触发式采样快许多倍，采样精度也比较高。所以扫描式数据采样常用来采集大规 模的数据点。 接触式测量方法的技术比较成熟，突出的优点是可以达到很高的测量精度 ( o 5um ) ，对样件的材质、色泽无特殊要求，特别适合于产品的误差检测，还 可以人工对样件进行测量规划以减小数据处理的难度和工作量。缺点是测量效率 低，不适合于测量具有复杂内部型腔、特征几何尺寸少及特征曲面较多的样件模 型【6 】，也不适合于复杂外形产品大规模数据采集。 2 1 2 非接触式测量 随着测量技术的发展，由于接触式测量的不足和测量市场的需要，产生了非 接触式测量。非接触式测量的共同特点是不仅能测量大型工件，如汽车车身等， 也能测量小型物体，如硬币表面等。非接触式测量方法主要是基于光学、声学及 磁学等领域中的基本原理，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。 2 l2 1 声学方法 声学方法的典型例子是声纳测量仪和声波定位仪。声纳测量仪利用声音遇到 被测物体产生回声的时间计算点与声源自j 的距离；声波定位仪则是利用声波从物 体表面反射回来后的声速确定声源与物体表面间的距离。 2 1 2 2 磁学方法 磁学方法是通过测试样件所在的空问磁场强度分布的变化来完成测量工作 的。核磁共振成像( m a g n e t i e r e s o n a n c e l m a g i n i n g ，m r i ) 技术在医学领域已被广泛 采用。该方法的显著优点是不受测量样件复杂程度的限制，能获取样件内部及内 表面的截面数据，所获得的测量数据密集、完整，测量结果包括了样件的拓扑结 构。但缺点是测量精度低( 最小层厚度达l m m ) 、成本高，样件的尺寸受仪器磁 体大小的限制，对样件的材质也有一定的限制( 如：不能是铁磁物质) 。 2 1 2 3 光学方法 9 江苏大学高校教师硕士学位论文 应用光学原理的现代三维测量方法发展快速，如结构光法、激光三角法、激 光测距法、干涉测量法、图像分析法等啡 1 8 1 【1 9 1 ( 1 ) 结构光法 结构光法是将一定模式的光，如：条形光、栅格状的光，投射到被测样件表 面，并获取光被曲面反射后的图像，通过对图像的分析获得三维点坐标。这种方 法中最典型的方法是投影光栅法。该种方法的主要原理是把光栅投射到被测样件 的表面上，光栅影线会因受到样件表面高度的调制而发生变形，通过解调变形的 光栅影线来确定样件表面的高度，如图2 - 2 。入射光线p 照射到参考平面上的a 点，放上被测样件后，就照射到样件的d 点，此时，从图示方向看，a 点就移 到了新的位置点c 点，距离a c 就携带了高度信息z = ( x ，y ) ，即：高度受到了 样件表面形状的调制，利用傅立叶分析法或相移法就可以解调变形的光栅影线， 从而得到样件的形状数据。投影光栅法除了测量速度快的优点外，还具有测量范 围大、成本低、易于实现及精度较高( + 2 0 u r n ) 等优点。缺点是对表面变化剧烈， 尤其是陡峭处的测量精度大大降低，适宜表面起伏不大的、较平坦的物体的测量。 一x 一 眵 么 ( 2 ) 激光三角形法 图2 - 2 投影光栅法原理图 激光三角形法 2 0 l “2 1 是利用具有规则几何形状的激光源( 如：点光源、线光 源) 投影到被测样件表面上，三维样件面型对光束产生空间调制，改变了成像光 束的角度，形成的漫反射光点( 或光带) 在安置于空间某一位置的图像传感器 ( c c d ) 上成像，成像点的位置也随即改变，按照三角形原理对成像点位置的确定 和系统光路几何参数计算出被测点的空间坐标。激光三角形法是目前应用广泛、 1 0 江苏大学高校教师硕士学位论文 技术最成熟的一种方法，它的优点是测量速度快、精度较高( + 5 u r n ) ，适用于软、 硬质的样件。但缺点是测量会受到样件表面粗糙度、漫反射及倾角的影响；对于 激光光源照射不到的位置不能测量；对样件的突变台阶和深孔结构处进行测量 时，数据易于丢失。 ( 3 ) 激光测距法 激光测距法是将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面问的距离，即： 一个激光脉冲信号从发射器发出，经物体表面漫发射后，沿几乎相同的路径反向 传回到接受器，检测光脉冲从发出到接受之间的时间延迟，就可以计算出距离。 考虑到精度的问题，实践中多采用单一频率调制的激光束，比较发射光束和接收 光束之间的位相，计算距离。 ( 4 ) 干涉测量法 干涉测量法是由一个光源射出的一束光( 指定的入射光) 经分光后产生的两 束光，分别射向参考平面和目标平面，反射后的两束光相互干涉，呈现出相应的 干涉图样，通过分析指定的入射光的波长与干涉图样间的关系，而测得目标平面 与参考平面问的距离。干涉法是具有测量精度相当高，但测量范围小，抗干扰能 力弱，不适合测量凹凸变化大的复杂曲面，激光衍射法的情况与干涉法基本相同。 ( 5 ) 图像分析法 图像分析法是利用一点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而 得到点的空间位置坐标。 2 1 2 4 断层扫描测量方法 目前的逆向工程大多是基于实物原型外形尺寸的机械、光电测量技术，其突 出问题是不能获取实物内部结构形态的数据，因此，断层测量方法在国内外开展 了大量的研究，得到了迅速发展。 实物的断层测量方法分为破坏性测量和非破坏性测量两种。非破坏性测量方 法目前主要有工业c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 、核磁共振m 融( m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ) ：破坏性测量方法主要是层析法。 ( 1 ) 工业c t 工业c t 是基于医学领域的x 射线计算机断层成像( x r a yc o m p u t e d t o m o g r a p h y ，简称x - c n 技术，最具代表性的是基于x 射线的c t 扫描机，其原 江苏大学高校教师硕士学位论文 理【2 2 1 是射线源在一端沿一定的旋转方向照射被测样件，同时，检测器在另一端 接收到与样件衰减系数直接相关的投影数据，把全部的投影数据送入计算机后， 通过图像重建算法，构造出样件的三维图像【l 们。同核磁共振成像技术类似，工 业c t 也是一种逐层扫描获取物体截面数据的方法。优点是能同时无损地测量实 物内外表面，不需要精密的固定设备和其它前期处理措施，即可获得密集、良好 的s t l 模型，也不受测量样件复杂程度的限制。缺点同样是测量精度低( 最小层 厚度达l m m ) ，成本高，测量速度较光学方法慢，重建图像计算量大，造价高， 只能获得一定厚度截面的平均轮廓等。目前该技术正在改进，如美国s m s 公司 ( s c i e n t i f i cm e s u r e m e ms y s t e mc o r p ) 的高分辨率x 射线工业c t 机，分辨率为 o 0 1 m m ，检测工件直径最大为1 8 m 。 ( 2 ) 核磁共振 核磁共振的原理是利用线性梯度磁场，使空间不同点上的磁场强度不同，因 而质子核磁共振频率也不同，把空自j 各个位置所对应的共振射频辐射信号强度显 示出来，就得到了质子密度像。核磁共振运用在医学领域较多，利用逆向工程， 提取人体内部器官三维轮廓，为医师制定医疗方案提供有力证据。该方法不足之 处是造价高，速度较慢，且对非生物组织材料不适用。 ( 3 ) 层析法 自动断层扫描仪采用机械式逐层切削样件，自动对每一层轮廓摄取影像，然 后采用图像分析的方法提取轮廓数据。主要用于测量复杂内部结构的实物，适用 于一切可以坡切削的材料，成本低( 与工业c t 比，成本低6 0 - - , 7 0 ) ，测量精度 高，可达0 0 2 5 m m ，片层厚度最小可达o 0 1 m r n ，测量速度快。如美国c g i 公 司开发了层切扫描系统r e l 0 0 0 。层析法的原理是通过数控系统的铣刀逐层铣削 被测物体的横截面，采用图像处理的手段获取被测物体的内外轮廓。 层析法断层测量系统与工业c t 和m r i 等方法相比，成本和使用费用低得多， 并且精度相对要高，一般为o 0 2 r a m 。该方法的不足之处在于，它是一种破坏性 测量方法，不适用于单件或贵重物体。层析法是r p 技术中逐层相加的逆过程， 与r p 技术有着天然的联系。扫描的数据本身是由一层层零件截面的轮廓线数据 点构成，因此测量数据可以不必转换为s t l 文件也可以进行r p 加工。 非接触式测量使测量效率得到了极大提高，某些光学测量机可以在数秒钟内 得到几十万个数据点，因而在测量过程中可以大大减少人工测量规划，在整个样 江苏大学高校教师硕士学位论文 件表面快速采集大量的密集点云，这样既简化了测量过程，减少了测量人员的工 作，而且可以得到包含被测物体更多细节的海量数据。海量数据一般是散乱的， 而且并不显式地包含特征信息，如尖角、棱边，这就需要通过相应的软件进行数 据分片和特征提取，图2 3 为a t o s 系统扫描的发动机气道石膏模型散乱点云数 据。 图2 - 3 发动机气道石膏模型散乱点云数据 2 2a t o s 工作原理概述 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视和零件识别应 用，通常这种带有高度重复性和智能性的工作只能由人眼来完成。然而有些时候， 如微小尺寸的精确快速测量、形状匹配、颜色辨识等，用人眼根本无法连续稳定 地进行，其他物理量传感器也难以完成。这时，人们开始考虑用电耦合器件 ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 摄像机抓取图像，输入计算机或专用的图像 处理模块，通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息，来进行尺寸、 形状，颜色等的判别。这样，就把计算机的快速性、可重复性，与人眼视觉的高 度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉的概念。美国国家标准局早在 8 0 年代末就曾预言，今后工业检测的8 0 将使用视觉检测技术【2 引。机器视觉的 研究目标1 2 5 】是使机器具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。这种能力将 不仅使机器能感知三维环境中物体的几何信息，包括它的形状、位置、姿态、运 动等，而且能对它们进行描述、存储、识别和理解。机器视觉系统的应用现在己 从传统的国防工业转向了民用工业，在飞机、车辆等传统的重工业和一些轻工业 产品的设计和制造过程中得到了应用 2 4 j 。 a t o s 测量系统就是利用立体视觉摄影测量方法和结构光光栅投射法原理。 江苏大学高校教师硕士学位论文 它是以c c d 图像传感器为主 要敏感元件构造而成的一个集 现代光、机、电技术为一体的 集成系统，涉及机械、光学、 电子，计算机视觉，数字图像 处理、软件工程等方面的技术。 a t o s i i 扫描头的结构，如图 图2 4a t o s i 扫描头 2 - 4 所示。a t o s 扫描测量时，是将光面式结构光光栅从投射镜头投射到被测物 体表面上，并使扫描头和被测物体二者保持相对稳定的扫描运