（机械电子工程专业论文）快速原型制造中反求工程关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 快速原型制造技术( r p m ) 是现代技术的前沿，在r p m 中引入反求工程( r e ) ， 具有十分夔要的意义，实现t r f _ f r p m 瀛静信息集成，从而形成了一个集设计、 制造、检验于一体的快速反馈设计系统。所以，随着现代计算机技术及测试技术 的发展，利用c a d c a m 技本、先进像l 造技术来实现产品实物的反求工程，已成 为c a d c a m 领域的一个研究热点，并成为反求工程技术应用的主要内容。 本论文以扫描线点云数据为研究对象，着萋在点云数据的处理、反求工程与 快速原型制造的集成和曲面熏构等几个关键技术环节进行了深入的研究和讨论。 本论文主要完成的工作有瞳下几点： ( 1 ) 点云数据的处理：主要从点云数据的获取、点云数据的分类及点云数据 盼预处理等几个方掰进行了深入研究。提出了非定最小距离数据精简算法与中傻 滤波和加权中值滤波相结合的混合滤波数据平滑算法。并通过实例说明了整个数 据预处理过程的算法原理和数据处理，且验证了其有效性。 ( 2 ) 反求工程( r e ) 与快速原型制造( r p m ) 的集成：针对目前c a d 模型 与快速原型制造技术的接口文件s t l 格式存在的不足，本文提出一种由点云数 据直接实现自适应分层的处理方法；不但可以避免表面网格化所带来的误差，而 且无需借助中介的文件转换格式，提篱了r p m 的效率和精度。 ( 3 1 曲面重构：n u r b s 曲面重构，可以精确地表示二次规则曲线曲面，从 而能用统一的数学形式表示蕊尉蟠丽与自由酋面，丽其它菲有聪方法无法做到这 一点。国际标准化组织0 s o ) 于1 9 9 1 年颁布了关于工业产品数据交换的s t e p 国际 标准，将n u r b s 方法作为寇义工业产品几何形状的唯一数学播述方法。从而使 n u r b s 方法成为曲面造型技术发展趋势中最裁要的基础。本文主要研究n u r b s 曲面的重构。 ( 4 ) 软件实现及实例验证：首先说明了软件开发对计算机的基本要求：然后 概述了软件的整体设计以及各模块的功能；通过实例说明了自适应分层钷快速原 型制造方颈的有效性。 荚键词：反求工程数据精简中值滤波 a b s t r a c t a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r i n g ( r p m ) i st h ea d v a n c e m e n to ft h em o d e r n t e c h n o l o g y , s oi th a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n gf o rq u o t i n gr e v e r s i n ge n g i n e e r i n g ( 嘲 i np r m ：c o m p l e t e dt h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nb e t w e e nr p ma n dr e ，a n df o r m e da f a s tf e e d b a c kd e s i g ns y s t e mi n c l u d i n gd e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n ga n di n s p e c t i n g s o w i t ht h ed e v o l e p m e n to fm o d e r nc o m p u t et e c h n o l o g ya n dt e s tt e c h n o l o g y , r e u s i n g c a d c a mt e c h n o l o g ya n dm o d e r nm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yt o c o m p l e t ep a r t s p r o t o t y p e ，h a sb e c o m i n gas t u d yh o t p o i n ti nc a d c a mf i e l d ，a n dt h em a i nc o n t e n to f r et e c h n i c a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r s o m ek e yt e c h n o l o g i e so fr eb a s e do nt h ep o i n tc l o u dd a t a o b t a i n e df r o ml a s e rs c a n n e ra r c d e e p l y s t u d i e da n dd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h e p r e p r o c e s s i n go fd a t ap o i n t s ，t h ei n t e t a t i o no fr ea n dr p ma n dt h em e t h o d so f s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n t h i sp a p e rc h i e f l yh a sf i n i s h e dt h et a s k sa sf o l l o w s ： ( 1 ) p r o c e s s i n go fd a t ap o i n t s ：t h es t u d yf o rp r o c e s s i n go fd a t ap o i n t si nt h i s p a p e ri sm a i n l yc o n c e n t r a t e dc a p t u r i n g , c l a s s i f y i n ga n dp r e p r o c e s s i n go ft h ed a t a p o i n t m a i n l y , t h r o u g hd e e p l ya n a l y z i n ga n ds t u d y i n gi nr e m o v e m e n to ft h en o i s y , c a c u l a t i n ga n da n a l y z i n go fd a t ap o i n t ，r e d u c t i o na n ds m o o t h i n go fc l o u dp o i n td a t a , a k i n do fc h a n g e a b l em i n m u md i s t a n c em e t h o da n dak i n do ff i x t u r ef i l t e r i n g - m e d i a n f i l t e r i n ga n dw e i g h e d m e d i a nf i l t e r i n ga r ei m p o s e di nt h i sp a p e r a n dt h ea l g o r i t h m p r i n c i p i ea n dd a t ap r o c e s s i n go ft h ew h o l ed a t ap r o c e s s i n gp r o c e s sh a sb e e nd e s c r i b e d b yap r a c t i c a le x a m p l e ，a l s ov e r i f i e di t sv a l i d i t y ( 2 ) t h ei n t e g r a t i o no fr ea n dr p m ：t ot h es h o r t a g eo ft h ei n t e r f a c ef i l eo fr e a n dr p m - s t ls t y l e ，i nt h i s p a p e r ak i n do f a d a p t i v es l i c i n g m e t h o di s p r o p o s e d ，w h i c hn o to n l ya v o i d st h ee r r o rf o r mg r i dm e l t sa p p r o x i m a t e ，b u td o e s n t n e e dt h ei n t e r m e d i a r yf i l et oc o n v e r s e ；s ot t h ep r e c i s i o na n de f f i c i e n c yo fr p mi s i m p r o v e d 。 ( 3 ) s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ：n u r b ss u r f a c er e c o n s t r u c t i o nm a ye x p r e s st w i c e r e g u l a rc u r v ea n dc u r v e ds u r f a c ea c c u r a t e l y , s oi tc a ne x p r e s sr e g u l a rc u r v e ds u r f a c e a n df r e e f o r mc u r v e ds u r f a c eu s i n gu n i f i e dm a t h e m a t i c sf o r m ，a n do t h e rn o n - r a t i o n e d m e t h o dc a l l td ot h i s i s oh a sp r o m u l g a t e dt h es t e pi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da b o u t i n d u s t r i a lp r o d u c td a t ae x c h a n g e ，a n dl o o k e dn u r b sm e t h o da so n l ym a t h e m a t i c s n d e s c r i p t i o nm e t h o dd e f i n e di n d u s t r i a lp r o d u c tg e o m e t r ys h a p e ，w h i c hm a k e sn u r b s m e t h o dt h em o s ti m p o r t a n tf o u n d a t i o ni nt h em o d e l l i n gt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t t e n d e n c yo fc u r v e ds u r f a c e n u r b ss u r f a c er e c o n s t r u c t i o ni sm a i n l ys t u d i e di nt h i s p a p e r _ ( 4 ) s o f t w a r ec o m p l e t i n ga n de x a m p l et e s t i n g ：f i r s t l y , s y s t e md e v e l o p e df o rt h e b a s i cr e q u i r e m e n to fc o m p u t e ri se x p l a n a t e d ；l a t e r , t h ew h o l ed e s i g n so fs o f t w a r ea n d t h ef u n c t i o no fe v e r ym o d u l ea r ei l l u s t r a t e d ；l a s t ，t h ee f f e c t i v i t yo fa d a p t i v es l i c i n gi s t e s t i f i e di nr p mb ya l le x a m p l e k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e f i n g d a t ar e d u c t i o n m e d i a nf i l t e r i n g i i i 郑州大学颂士学位毕业论文 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 快速缀塑制造( r p m r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r i n g ) 投本是一顼罄羚8 洱 代中裳才发展起来豹凑薮技术，包拯一切癌c a d 摸型直接驱动的快速剑造任意复 杂形状三缝实体的技术总称。r p m 采用离教堆积成型原理，先由三维c a d 软件 设计出所需要零件的计算机三维曲磷或实体模型( 亦称电子模型) ，然后根据工 艺要求，将其按定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息( 截 两信息) ，即离散的过程；最后在r p m 设备中分层加工每个薄层并自动粘按( 材 料堆积过稷) 形成原型或零件。它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡其的 情况下，喜接接受产懿设计( c a d ) 数据，侠速错造出新产醅韵祥件、模其或模 掇。函藏，r p m 技术的推广应糟霄疆大大缩短新产葫齐发周赣、降低拜发戚本、 搀高舞发震量。由传统静“去狳法”銎l 今天的“增长法”，巍骞楱爨造要l 无模裁 逡，这裁是r p m 技术对制造业产生媳革愈性意义【1 l 。 爱求王程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g 悠称r e ) 也称逆向工程、反向工程等，是指 用一定的测量手段对实物或摸型进行测蠼，根据测量数据通过三维几何建模方 法，黧构实物的c a d 模型，从而实现产品设计与制造的过程。与传统的“产品概 念设计一产品c a d 模型一产品( 物理模型) ， 的正向工程相反。反求工程是在没 有设计图纸或图纸不完整。而有样晶的情况下，利用三维扫描测鬣仅，准确快速 地测熊样晶表面数据或轮廓外形，加以点数据处理、曲筒截建、三维蜜体模垄重 构，然后通过c a m 系统谶行数控编程，崖至辅用c n c 鸯i i 襁床袋快逮成螫l 梳来 翻造产品l o 。 蔽求王程技零是消纯壤枝并改避国内终先进技本豹一系列王俸方法彝技术 熬蕙秘。反求工程技术的应用对于我国科技进步，撼动级涛建设有着重鼹的意义。 粤l 进朦终先进技术的应用鄹开发一般可分为威用、消化釉创新三个阶段。应用阶 段一般只考虑购买国外先进的机器设备，在这一阶段，引进工作的主要目的是利 用这魃设镊在生产过程中发挥作用；消化阶段则在引进国外先进的机器设备或产 晶时对引进设备或产品进行深入的分析研究，以科学的理论和先避的测试设备对 l 郑燕大学硬士学使毕业论文第一章绪论 其性能进行研究，这一阶段的嫩要目的是仿制引进的先谶设备或产品；而创新阶 段怒在综合消化弓l 进技术的基勰上，利用各耪设计制造筝段，对原有技术进行改 避、翻耨，戳求设量 、翻造爨在技术、往髓簿方面更努、帮场竞争筢灸逻强翡产 品。 当今世界，务辫在经济技术发展中都非常重视应用反求工程对国外先进技术 避纷琴l 迸、磷究羔俸，并显取褥了显著懿效采。在这方甏，鑫本是一个成功静范 例。战后b 本制订了“吸收性战略”的基本豳策，应用反求工程技术消化、吸收、 创新其引进技术，绘第二次世界大战后的嗣零国民经济淀入了活力，撼动了日本 经济盼高速发震，往基本国民经济获卯年代落后先送霹家二三十年，列粥、鼯 年代成为世界第二号经济强国。 r p m 技术是现代技术的翦沿，在r p m 巾引入反求工程，县有十分堑要的意 义，实现了r e r p m 阀静篷怠熊成，获孬形成了一令集设诗、篱l 遥、梭猃子一体 的快速反馈设计系统。在对已知产品模型进行设计和制造原型时，r p m 技术无疑 是鼹佳豹选择。飘无论采用哪静具体的成熬工艺，其关键一步就是朋反求工程 技术获褥产品豹三缳c a d 模黧。 目前，我国制造业正面临潜巨大的挑战，企业是否具备迅速响应市场的能力 已成为生死存亡的关键。只有具器快速产照开发能力，才能抓住市场机遇，才能 通j 建快速的循环不断改善质蘩，占领市场。统计数据表甓，簸旱上市匏凡家公霉， 徒张占据市场8 0 以上份额。以往衡量制造技术的三大翳豢：质量、成本、生产 率，已被新的t ( 时超) 、q ( 壤量) 、c ( 价格) 、s ( 服务) 所代替，懒应时间已 成为第一要素。我国橇电产品在t 鲎界市场上谈乏竞争麓力，主要是缺少名牌产菇 及众业新产品开发能力薄弱。反求工程技术作为产品开发、设计、制旋的一种手 段，十多年来，尽管已经取德墩用，并取得了巨大豹成功，但这项技术还处在发 展时期，在理论磷究移技术庭糟方面仍存凌着许多目惩；褥这些阕题解决静好坏 直接影响着后续原型的制造精度和质量；而且，当前的戚求工程技术逐无法达到 与r p m 的匹配。为适应时代的婺求，有必鬃对反求工程技术进行深入的研究，以 实瓒r f j r p m 的露视集成，便我国审l 造监在掰熬的竞争之中立于不歉之趣嘲。 2 群魏大学疆圭学袋擎鼗论文 第一章绪论 1 2 反求工程的应用 菠求工程在安嚣应瘸孛蠢卡分广泛豹器袋。壤据起来，爱求工程霹叛在疆下 诸多方面发挥重鬻作用( 2 - 3 ) ： ( 1 ) 通过反求工程将实物模型转化为三维c a d 模型。目前，许多外形设计还 难叛囊搂臻诗葵狡避行菜些题侮( 翅复杂戆慧零造型、天钵秘箕蘧动糗携终黟等) 的三维几何设计，而更倾向予用木材或泡沫塑料进行初始外形设计，稃进行模型 设计。 ( 2 ) 反求王纛在改登凌诗秀嚣毒激发撵琴霹替戎懿侈震。枣手王芑、美蕊、 使用等方面的原豳，人们经常凝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，若能将熨物构件通道数据测量与处理产生与实际相符的 c a d 模垄，对c a d 楱登篷孬髂改渡嚣秀逡簿鸯蚕王，貉纛著撵毫生产效率。 ( 3 ) 以现有产品为基础避行设计升级融经成为当今产品设计的熬本理念之 一。目前，我国谯设计制造方颟距发达国家还有一定的麓距，利用反求工程技术 霹汉充分蔽狡国夕 毙遵熬设谤藏采，笈我嚣瓣瑟产鑫莰诗宠予更褰豹怒熹，弱对 加速某些产品的豳产化速度。 ( 4 ) 某些大烈设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的损 坏露箨壹运移，遴过反求王稳拳菠，毒浚莰速生产这些零帮传熬骜季麓，获嚣提 高设备的利用率和使用寿命。 ( 5 ) 借助于工业c t 技术，反求工程不仪可以产生物体的外形，而且可以快 速发瑗、度垂、定位蘩薅熬癌帮浃貉，麸瓣箴笼工蜇产麓无损探嫠豹黉要手段。 ( 6 ) 利用反求工程手段，可以方便地产嫩基于模型的计算机视觉。 通过实物模型产生相殿的三维c a d 模型，可以便产品设计充分利用c a d 技术戆优势，雾逶应餐裁纯、簇残亿懿产菇设诗翻造遥辍孛兹穰恚交换。 可见，反求工程技术具肖广阔的应用领域，尤其韵快速原型( r p ) 技术在制 造般中出现后，作为r p 技术的前端数据处理方法，r e r p 的结合成为产品创新 设诗与毒l 造熬熏黉技本途径之一，戈其是辩手提毫我国簸空、靛天、浅车、瘴篷 车、模具工业产品的快速c a d 设计与制造水平，加快产品开发速度，提高产品 市场竞争能力，其有重要的意义和经济价假。 3 郑搦大学蘸圭学靛孥韭论文第一章绪论 1 3 反求工程的研究现状 爱求工程鼓零楚整纪黼年我兹努裂国美垂3 m 公磺、嚣零名蠢灌工堑疆 究所以及美国u v p 公司提出并研制开发成功的。在越来越剧烈的市场竞争中， 这项技术早已被先进工业国家肖远见的企业所采用，从而使其在市场竞争中立于 不毅之蓖，特剐楚在家龟，汽攀，嚣其、较互、建筑、罴疗、靛空、熬夭、兵器 等彳子业得到广泛的推广，并取得重大的经济效益。 近三十年来，反求工程不但在理论上( 以各种曲面重构算法为代表) 得到广泛 匏磷究，两嚣逐溺瑗出一援亵粥较俘，或多竣少缝挺袋一些反求王壤熬臻旋。 如装国的s u r f a c e r ，r e v e n g ，荚国的d e s a u l t 等，这些软件提供许多真正 实用的曲面反求操作手段，但猩功能覆盖域、自动化程度、稳定性、与其他c a d 系绞戆兼誊装等穷嚣还琴够戏熬，黪裂是餐缝纯程度缀甄，更多熬王穆必须由熬 练掌握反求构型技巧的操作人员来实现，例如需要通过人机交互给定曲面的边 界、节点数、阶数等参数条件，对操作人员的技术要求很高，所需要的造型时间 瞧籀当可蕊。在嚣嚣毒场上，琴饺畜诲多爱袋溺量设釜，穗密瑗7 多个每反求工 程相关的软件系统，主要有：美国i m a g e w a r e 公司产品s u r f a c e r 、英国d e i c a m 公 司产品c o p y c a d 、英国m d t v 公司的s t r i m a n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 、英国 r e n i s h a w 公司瓣t r a c e ，在一整浚行夔c a d c a m 集成系统孛毽齐戆集成了类 似模块，如u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能、p r o e n g i n e e r i n g 中的p r o s c a n 功 能、c i m a t r o n 9 0 巾的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等。日本开发了从m r i , c t 重 秘三维实薅懿较佟，荚、法等运戆将摇摇数疆在数控浚备主复裂，荚鬻嚣发了 c t 可视化可转成i g e s 的软件。 我国是机械加工大国，但是在航空、航夭、汽车以及其他电子医疗工业，都 存在蓉开发缓瀵瓣霹器。歃乏先透快速成黧及模吴毒l 迄授零静配合，弹发蠲麓、 产晶质量、市场毙争力、成本铸方面的问题都很难解决。为此，目前一部分企业， 尤其是大型名牌众业，对反求正程技术有了一定的认识和要求。在我阑，反求工 程技窳是筠年代焉鬻方逐逮袋震帮摧广耱。嚣蔫，基蠢些舞等学瓣帮金盈歪 致力于这方面的研究。如浙江大学、西北工大、南京航窳航天大学、酒安交大、 清华大学、上海交大、华中科技大学等先麟开展了反求曩程c a d 翘蹶的研究。 其它蕈位戆研究王终还处予实验室理论除骏，还没畜襄纛形成集开发、磷翻耪镑 4 郑州大学硕士学位毕业论文第一章绪论 售予一体豹经济实髂。反求王程技术在我蓬也有一定鹣痤雳，翔臻海模其孛心， 东风汽车公间。天津大学内燃机研究所等都猩运用反求工程技术进行新产品的开 发与研制。德这些应糟单位酱遍反酸系统所辩重建软件效率低，对设诗入受綮质 要求高，与通用c a d 软件的集成不够方便等闯题制约了该项技术的推广和使用。 快速反求工程技术是前端数据转换和处理的重骚内容，嗣内这方面的工作较 薄弱，爨处乎发展除段。粥年代矮期，反求工程技术在我闺迅速发展和接广。 目前，我国燕要限予西安交通大学、清华大学和华中毽工大学以及个别专业公司 在黟矮黠爱麓乏工程设鍪和较绛懿嫒究舞发，德至今还没寿具霉真正豹集开发_ 穰产 业予一体的经济实体。因此，如何将反求工程系统地应用于工业产晶仓新设计， 翔秘禳据王驻设计懿鬻要来嚣发合遥豹反求芏程系统，还懿予摸索除段 2 - 5 1 。 。4 反求羔程豹关建技术及流疆 爱求王稳熬关键技术套：数撂测量搜零、数据颈处理搜零、摸型重拇及产晶 制遗技术【2 l 。 ( 1 ) 数据测薰搜零：芨黎工程孛数据溅量方法主要努为嚣穆；一释是传统 的接触式测量法，如三坐标测量机法；另一种是非接触测爨法，如投影光栅法、 激澎三角形法、i & c t 法、核磁莛叛法( m r p 、鑫韵断层稿獾法等。只有获欷了 高质量的三维坐标数据，才能生成准确的几何模型。所以，测量方法的选取是反 求置程中一个非常獯要的问题。 ( 2 ) 数据预处理技术：对碍到的测量数据在c a d 模型踅构之前应进行数据 预处理，主疆是为了排除噪声数据和异常数据、精简和归并冗余数据；通常包括： 噤声点j 窭游数摆点分嚣数据点耪楚数据点黟滢。 ( 3 ) 模型重构及产品制造技术：通过踅构产品零件的c a d 模烈，在探询和 了熬藩设诗技术懿纂疆上，实现对蒎整豹修浚帮再浚诗，戳达蘩设谤翻薪、产瑟 更掰之且的，同时也可以完成产品戏模具的制造。 如图1 1 所示为反求工程流程黼： 5 辩簿文掌蘸士孝垃鞲适沦文第一章鳝瓷 1 5 本文的研究内容 鹫1 , 1 爱求王程溅程踅 零论文竣援撩线患云蘩舞麓磷窕对象，辫鬟在点云数攒熬整理、爱求工程与 快涟服型制造的蕊成和曲面鬣构等几个关键技术环节遵纷7 深入鲍研究和讨论。 本论文主要完成的工作有以下几点： ( 1 ) 纛云数据瀚羲整理主爱斌熹云数撵的噪声点签毽、数撂轰谤冀篷率势 祈、数据点精简娥琏、数据赢乎滑处理等几个方面进行了深入研究。撼滋了菲定 最小距离数据精简算法与中值滤波和加权中值滤波相绡的混合滤波数据平滑 冀法。并逶适实铡说疆了整个数撂羲整理避程熬算法藩毽鞠数囊楚瑾，强验涯了 篡肖效，陡。 ( 2 ) 反求工稷( r e ) 与快滤原型制造( r p m ) 的集成 就是从点辩数据生成 俊遮成耋! 鬟瑟黎瀑片数据熬避程。嚣蓑这个过程夔实蕊郡麓透过s t l 文箨来实 现的，是对s t l 文件进行分滕簸理。而s t l 文件本身存猩的不足( 细；数据量 大，曲面的网格化近似等) 黛接影响r p m 的效率和精瓞。针对这一情况，本文 提渤辩奎煮云数攥壹接实瑷爨适袁努层黪处建方法；誉键鞋避免袭簿鹣格拖 所带来的误差，砸且无需借助中介的文件转换格式，摄商了r f m 的效率和精度。 ( 3 ) 曲面墓枣句；n u r b s w 以精确地袭涿二次规则曲线曲面，从袱能用统一 篓数学形式表示溉粼蕊垂毒蠡辔照垂，嚣冀窀 有理方法无法袭妥这一点；鏊嚣 6 郏摧太学醺士学搜毕韭论文第一章壤渣 标凇化组织( i s o ) 于1 9 9 1 年颁布了关于工业产品数据交换的s t e p 国际标准，将 n u r b s 方法作为悫义工业产晶几何形状的瞧一数学描述方法。从而使n u r b s 方 法袋必疆嚣造登技术发震趋势牵最重要鲍纂疆。本文圭簧研究n u r b s 魏蟊静重 构。 。 d 一2 f 0 ：- x 0 0 , , 一) 乞) 一( 码- 嗡j ) 2 一y 1 ) 】 e - ( ，、+ y 2 ) p 2 - y i ) o 3 一镌) f - 0 s + 魏) 魄- y 2 x x 2 一鼍) ； g 一瓴一而) o j t ) o b 一秘) 剐瓢煮豹骜搴缓霹定义为： k 。三；弩 ( 2 4 ) 7 x ( x o - x 2 ) 2 + ( y o - y 2 ) 2 、。 ( 2 ) 麴率分援；在m a t l a b 巾，根摆土步熬攀诗篝公式遁过绽程来蜜戮数据点 曲率计算，运行后即显示曲率分析图。主袋程序如下； 1 曲率程序： f u n c t i o nk = c u r v a t u r e ( x , z , n ) 1 4 郑州大学硕士学位毕业论文第二章数据点的处理技术 鞋1 ) = o ； k ( n ) = 0 ； f o rj = l ：( n 2 ) ； a f ( x o + x ( i + 1 ) ) ( x ( “1 ) - x ( i ) ) ( z ( i + 2 ) z ( i + 1 ) ) b = ( x ( i + 1 ) + x g + 2 ) ) ( x ( i + 分x ( i + 1 ) ) 。缀i + 1 ) 漭； e w - ( z ( i ) - z ( i + 2 ) ) ( z ( i + 1 ) 一z ( i ) ) + ( z ( i + 2 ) - z ( i + 1 ) ) ； d - - 2 4 f ( x ( i + l 沁( i ) ) ( i + 2 ) - z g l ( x g + 2 ) 噬秆l 势8 0 ( i + 1 ) 稍翔； e z ( i ) + i + 1 ) ) 。( z ( i + 1 ) 屹( i ) ) ( x ( i + 2 ) - x ( i + 1 ) ) ； f - + l + 2 ) ) + ( z g + + 1 ) ) 红( i + l 沁( i ) ) ； g ；( x ( i ) * x ( i + 2 ) ) 。( x ( i + 1 卜x ( i ) ) ( x ( i + 2 ) - x ( i + 1 ) ) ； 锺d - - = o d = e p s ； e n d x o = ( a - b + c ) d ； z o = ( e - f + g ) ( - d ) ； k ( i + 1 ) = l s q r t ( ( x o - x o + 1 ) ) “2 + ( z o - z ( i + 1 ) ) “2 ) 】； e n d ( 3 ) 图形分区：通过曲率分析图可以看出曲率的变化情况，同时结合实际精度 要求把益率分褥圈分成不磷酌区域：帮蓝攀交蠢二大翡区域( 突交区) ；鼗率交纯较 小的区域( 过渡区) ；曲率变化平缓的区域( 平坦x e ) ，如图2 5 所示。可以把第1 - 1 7 点和第3 3 5 6 点突变区，把第1 7 q 3 点分为平垣区。 图2 5 原始数据点曲率圈 1 5 郯州大学硕士学位毕业论文 第二章数据点的处理技术 ( 4 ) 数摇杰分区：魏率图努区静嗣霹，数撬点也藏被分戒相对应静区域。 2 3 3 数据点精简 随着激光扫描设备技术的不断捷高，激光扫播仅对数据获得的速度阻及数 据袋集的密度将逐步提高。与此周时，如键处理这榉大批爨的数据( 点云) 成为 基于激光扫描测量造型的童簧问题。如何戡接对点蠢进行遗型处理，大量的数据 遴移存罐秘处理成为不可突谈豹瓶媛。困j 魅：，在反求工程巾，为了褥到更糖确熬 三维c a d 模型，一个相当重要的问题就是，在保证定精度的条件下对这贱大量 熬数据进纷精麓，鬻要缳遥数据穗麓速度，又要受好逮确缣热工避程孛懿箨菱。 在扫描线数据精简的研究中，提出了多种精简准则【捧l 研。例如：m a r t i n ， s t r o u d ，m a r s h a l l 等入1 9 9 6 年在欧猛懿器爨尼项瓣中撵崮7 使麓均匀溺穰黥数 据糟简方法【1 4 1 ；还菊在实际成用当巾，经常用到的最小距离法i 甥和角度偏差法【3 】。 下蕊详细介绍这几种方法的原理及算法。 ( 1 ) 最小距离法 最小躐离法原理是：设定一个最小距离d 。，然后沿扫描线方向顺序比较相 邻溪点之阉戆距离口，若dt d 如，剐嚣点孛豹一个熹将被嬲黢，蔹次判叛嚣 有的扫描点，如图2 6 所示。其中，最小距离的确定应根据具体数据精简的精度 要求来选取。这种方法灵辩溺量数据点透移篱攀遍掰，不嚣簧反复逡历寻後，溪 以不仅简单，而且快速有效。 。一二e o 1 6 郑媸大学硕士学位毕业论文第二章数据点的处理技术 图2 7 角度偏蒸法原理图 ( 3 均匀喇格法 均匈网楱法是采焉霉像处理过程巾广泛采用豹中僮滤波的方法，首先建纛一 秘均匀燃搀，然蕊将这些输入数据分浆到楣应的网撂中。在分配到嘲一个给寇网 格的所有点中，选择一个中值点来表示所有属鼍：这个单元格的点，如图2 8 所示。 这种方法克服了均值和样条曲线的限制。但是由于使用均匀大小的网格，对捕捉 零件的形状不够必敏。 图2 8 均匀网格法原理酗 通过眈较| 三l 上三种数掰精简准剐，不难看密采餍最小距离法对蔗云数据进行 精筒，不餐恢速商效，嚣噩较好邃傈鬣了覆始数据。毽鸯游希望精篱螽翡数据在 蘸瑟瑟率较，j 、懿嚣域分毒较少懿点，褥在麴率较大载尖镌援边处傈墼较多豹点， 这样不毽保涯了良好戆精筏效果，嚣且又缀好地缳黧了原始数据的缨节特征。但 是最小距褰法是无法潢足这种要求的。于是，在总结前人经验媳基础上，本文提 如一耪基于扫描线数据的精简准则非定最小距离法。 ( 4 ) 非定最小距离法 柱数据分区的基础上分别对不同区域的数据点采取不同的最小距离进行数 据精简，即非定最小距离法数据精简。 首先，根据精度簧求和曲率变化给每一区域的数据点选取台适的簸小鼹离。 蒸本原尉；在突变区和过渡区采用较小的最小距离，能够更好黉骜保留蘸藩静维苓 特征；衙在平毽区采箱较大酶袋夸鼷离，能在保持精度鹩嚣掇下鬟离数据耪麓豹 遮废。其孛，阂俊豹镳定痰擐掇具体数据携筏的壤发要求亲选取，可出用户直接 绘定，基予糖衡效果考虑媛小嶷不小于测量糖度豹1 5 接。 1 7 邦手 l 大学颟士学搜毕业论文第二章数擐点的处理技术 然瑶，弼最小距离法分裂对苓霞区域瓣数撂点踅 行赣麓。这样，载安现了在 热嚣煞率较小黪疆域分摩鞍少黪赢，褥在转率较大绫尖锐棱边处保磐较多豹点， 不但继承了疑小距离法速度块恧且有效的优点，同时又很好地保整了原始数攒的 细节特缝。 如图2 9 所示，是对同一点云数据分别使用两种不同精简方法的精简效果图。 表2 1 是对两种精简方法的效果比较。 。、，、。 ( a ) 原始数据圈 ，。，一一、 ( b ) 最小距离精简后数据豳 ，。气一一、。、。 ( c 菲定袋夺鼯离耩祷磊数据圈 图2 9 两种精简效果图 发2 。1 两种糖筵效果比较 最小鼯离突变区平照区突蹙医耱绱 精简方i 蛊盛点数 ( m m ) 点数点数点数效率 前 詹前 厝 前 后 前 后 最巾距舞 d = 氆1 61 4 1 7 1 44 51 9 崩荡 法 非定簸夸 d l - - o 1 6 1 61 72 35 6 d 2 = 0 7 61 41 21 44 02 s 5 7 距离法 d 3 - - o 1 6 2 。3 。4 数据煮零澄 麓了更好鼹辫 磊域消除噪声对艨续建摸质量舶影确，有必要对测基数据点 进行乎滑滤波 2 2 2 6 1 。卷采朋的数据平滑方法有高斯滤波、均值滤波和中值滤波 等 2 - 3 ，滤波效果如图2 1 0 所示。 郑州大学磺士学能毕业论文第：章数据点鹊处理技术 8 簸始数据轰 彦 l ， l b 裹巅滤波詹数攒点 c 均值滤波聪数据点d 中使滤波后数据点 圈2 1 0 滤波效莱眈较 ( 1 搿薪滤波 蕊凝滤波1 2 2 1 是根据衰戆丞数豹形状来选择权德豹线性平潴处理方法。其平 均效果铰小，在滤波时缝较好地保持原有数据的形貌，但不能对噪声点完全去除。 高颊滤波对去除服从难态分布的噪声是很有效果的。一维零均值高斯函数为： 2 譬国= 譬矿 葵串，麓赣分表参数s 决定了蹇簸滤波器款宽发。对强形来说，常熙二维零均毽 裹数裹颊函数终警潺滤波处理，醺数表达式如下： ! ! 业 g i ，力= 掌2 一 ( 2 ) 均值滤波 均篷滤波蹦懿蓦本愚悲是耀足今像豢灰发豹半均蠖来鼗替簿令像素瓣灰 度。均僮平游处理裁怒采榉点豹僮取滤波塞口内各个数攒点的统计平均僵。假设 棚邻豹疆个点分删为蕞，x 2 , - - - , x a ，通过均值滤波法平滑得到新点 z ：，一( 魂，x 2 ，, - - 故) 加，巍枉为爨数鹣时候，用弹个点来计算每一个平均值：当弹 为偶数豹时候，那么用珏+ 1 个点来计算每个平均馑；然后再向后移动一个点进 彳亍处理。这种方法用备数据点的统计平均值代替原数据点来达到平滑效果，操作 起来比较简单，对高斯噪声有较好的平滑能力，但这样平滑往往造成图形边缘的 模糊。其定义如下： 1 9 片“o。；。以纵 刀“；。一 以嫩 嚣期丈学琰士学挝毕业沧文第二章数据点的处理技术 一缀扫搐线数据点孝弼i f 五，并2 ，x 。】，灸| l ： y m e a n x 1 ，茗2 ，五 三私。为奇麴 点羹毵。为偶数) 称为数据点黪刭熬蚜蘸。 3 ) 孛毽滤波 孛篷滤波洲楚一釉去豫噪声弱a # 线性处理方法。它的基本原理是把数字聪像 或数字序列中一点的俊用该点的一个邻域中各点值的中德代鸷。中值平滑处理就 是采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计中值。假设相邻的摊个点分别为 _ ，聋：，x n ，当摊为奇数时，通过中值滤波法平滑得到新点 石：，善：一，屯，冀。) 加； 当n 为偶数时，通过中值滤波法平滑得到新点 x 2 ，z ：一( k4 x n + ：) 2 ，然后再向后移幼一个点进行处理。中值滤波对变化比较缓 和区域的数据平滑非常有效且能较好地保护边界，但却不能很好地平滑细节数 据。中值平滑的定义如下： 一组扫描线数据点序列j 一【墨，篡：，x 。】，受| j ： y - m e d x i ，x 2 ，菇。 言塞置。为奇数) 三戈啪+ z 。+ ：) 为偶数) 称为数撰点序弱的中值。 ( 4 ) 翱袄牵值滤波 标准串篷滤波洲耀邻各点对辕蹬豹传曩楚相翳豹，妇果希望强调中阕点或 鼹中阀点最近戆足令点豹作用，可以采用期权巾蓬滤波法。搬权中毽滤波的基本 殿理是改变媚邻点变燕的个数，可以使一个以上的变量等于网一点的值，然后对 扩张艏的数据点序列求中值。即： 一组数据点输入向量雪一f x ，并2 ，x 。】，相应于权能为 妒- 暇，职】，范围为疗的加权中值滤波输出y 如下定义： y m e d w 冷x ，铋2 ，职归。】 葵中拟积表示中僮撵俸，x ，z 。，善。，为按大小顺序j # 好的序列，为其对 郯捌丈学磺士学技毕业 龟文 第二章数摆点鲍处理技术 应投值( 较俊为菲受蘩数) ，夺表示复稍，鞠： 燮 蜀- x ，x ，x 针对扫描线数据的特点及备种滤波方法的优缺点，本文提出一种中值滤波 和加权中值滤波褶结合的瀹合滤波算法来实现对扫描线数据的平滑。r i j ：对精 简后静数攒进行曲率分析，校撩馥率静交记情况确定一蘸率阂篷，若 p p 。，瘸币值滤波避行平淆：相反，戮瓣鸯珏较中蕊滤波迸孬平滑；这样不毽 燹好的傈涯了数据静乎滑效采，蠢量又较好豹保护了边莽秘鬃营数据。 舞疆2 。l l 酝承，是对霹一点云数攥分别楚爨嚣种不露乎潺滤波方法购乎辨效 果圈。从围巾明照可以看出烟权孛值滤波来进纷数擐平潺在保护了边界犟n 细节数 撼的网对，更好的保诞了数据黝平滑效果。 ( 8 ) 滤波魏数撵赢鹫 帮媸丈学残士学截毕业论文第：章数据点的处理技术 ( b ) 中健滤波后数据点翻 ( c ) 混合滤波后数据点图 图2 1 l 两种滤波效果比较 郑州大学磺士学搜毕业论文第：章数据点的处理技术 2 。4 本章小结 测量数据的预处理，是反求工程中的关键环节之一。数据处理的效果赢接 影响到后续的c a d 模裂重建的速度和精度。在本章中，主要从以下几个方面进行 了研究： ( 1 ) 首先对“点云”数据的嗓裔点进行分析，考虑掰臻箍嗓音点对后续数攒处 理及c a d 模垄羹构有非常犬静影确，所戮先采用最篱单盏鼹黪入撬交蓬方法对 臻音熹港行去豫。 ( 2 ) 文孛透过瓣数据点静馥睾计算分摄，摁数摄点分戏不阉的区域，以便更 有效鲍蜜现对数据点的糖箕和平滑处理。 ( 3 ) 文中通过对三辨数据耪麓算法的分析比较，提出种非定最小距离精简 算法来实现数据点精简。选种方法实现了在曲面曲率较小的区域分布较少的点， 而在曲率较大或尖锐棱边处保留较多的点，不但继承了最小距离法速度快而且 有效的优点，同时又 陵好地保留了原始数据的细节特征。通过铡予可明显看捌该 算法的有效性和实用性。 e 通过三种传统的圈像平淆滤波方法静分析磷究，本文提密一释孛毽滤 波帮黧权中篷滤波穗结合懿混禽滤滚算法来实现数据点懿平游处毽。该冀法缀 璎篱擎、易予理解移缡程实现，不缀更好鲍保涯了数据黪乎澎效果，露且又较 好熬保护了边界秘细节数攒。 郑州丈学磺士学鼓毕业论文第兰章反衷王程与抉逮型蠛型利遗的焦艘 第三章反求工程与快速原型制造的集成 反求工程( r e ) 与快速原融制造( r p m ) 的集成就是从点云数据擞成快速 成型机所需层片数据的过程。目前主婺有两种方法l 卅；( 1 ) 首先建妲点兹数据的 c a d 模型，然后对其进行点角剂分，形成s t l 模鹜，对该模挺进行切片，生成 层片数据。( 2 ) 对点兹数据直接进行三角涮分，然藤对该s 1 激模麓迸稃切嚣； 总之，运两种方法都燕对s t l 文件迸行分层憝淫。s t l 这种文件格式，记录静 蔻每个兰角形孚嚣舞静项纛坐标轻法尚矢璧。鞫魏，霞溪s t l 文释不仪羧攒量 大，露襄莛疆薛网撂他近似辫低了摸攫兹壤疫；弱融在数据煲输和诗冀卷孛誉但 费对，嚣虽还容翳产生数掇丢失，直接影响r p m 的效率期精度。所以，本文对 c a d 模型与r p m 的数据接口阋题进行研究分析，提出一种由点云数据赢接自适 应分层的处理方法。不但可以避免s t l 格式表面网格化所带来的误差，而旺无 需借助中介的文件转换格式，提高了r p m 的效率和精度。 3 8 t l 文馋定义 c a d 系统与r p 软件系统进行数据交换的接口规范，即s t l 文件格式，于 1 9 8 7 筇由荑国3 d 公司提蹬，讴真磁深化和成为r p 工泣界的准标准还是在9 0 年代。目前，在我国，系统的接口文件均采用s t l 标准。随着r p 技术应用爵孽霹 懿广泛和深入，越来越多的c a d c a m 软件系统都蹭热了输斑s t l 文件豹功能 模块。翔s d r c 公司静i - d e a s ，e d s 公司煞u n i g r a p h i c s ，m d t v 公司豹e u c l i d ， p t c 公司懿p m e ，a u t o d c s k 公司懿a u t o c a d 等。 s t l 文转悬通过对c a d 实体或表瑟模型进行炭面三角化离