（机械制造及其自动化专业论文）基于激光扫描点云的数据处理技术研究.pdf

摘要 摘要1 随着计算机技术和机械制造技术的日益发展，逆向工程已广泛应用于产 品再创新和设计中。作为产品零部件外形几何逆向工程的一个研究热点，基 于激光扫描点云的数据处理技术作为逆向工程几何建模的重要技术，它以激 光扫描点云作为逆向数据预处理和建模的基本元素，目前该技术在国内外得 到蓬勃发展。该项技术以获取的点云数据为处理对象，不用构建三角网格， 在处理超大规模点云中，对点云数据进行预处理、特征提取和模型重构方面， 显示出其独特的优势，现在正成为逆向工程研究的一个热点。本文针对该领 域中的若干关键性问题，结合山东省自然科学基金项目“基于多尺度特征的 复杂曲面重构技术研究 ( 项目编号：y 2 0 0 6 f 12 ) 进行了深入地研究。 ( 1 ) 为了满足逆向工程后续产品开发和重构的精度要求，本文完成了激 光扫描点云数据的噪声数学描述与分类，制定了把各种噪声降到最低甚至有 效去除的数据预处理流程。 根据激光扫描点云数据的特点，给出了噪声点的产生机理及其数学描 述，根据建立的数学模型，把噪声点进行分类：由系统测量误差a ( x ，y ，勿) ， 和系统随机误差p ( x ，乃，z ，) 引起的噪声点，以及由随机性分量g s ( 一，弗，z ，) 引 起的噪声点。分别根据其特点制定切实可行的去噪方案有针对性的去除。为 此，制定了一套数据预处理去除噪声的流程，包括明显噪声点去除，噪声点 滤波平滑处理，点云数据的光顺处理等。工作结果表明，在求得的切片点云 ( 从模型的三维离散点云数据到获取的二维截面轮廓的点云数据) 基础之上， 所采取的去除噪声预处理流程能够把由系统测量误差、系统随机误差以及随 机性分量所引起的噪声点减小甚至部分消除，满足逆向工程后续产品开发和 重构的精度要求。 ( 2 ) 研究了激光扫描点云数据的有关预处理算法，提出了优化修正量光 顺算法。 本文在激光扫描点云数据密集、数据量大、不便于存贮的背景下，在保 证精简后数据精度的前提下，提出一种用偏差参数和角度允差值来进行点云 数据压缩的算法，该算法用于处理的激光扫描点云数据是经过大噪声点去 1 本文得到山东省自然科学基金资助( y 2 0 0 6 f 1 2 ) 山东大学博十学1 7 ：论文 皇曼曼曼曼曼曼曼i 一一 m 鼍曼曼曼曼曼曼舅曼 除、滤波和优化修正量光顺处理之后的海量点云数据。该压缩算法简单直观， 能够根据公差值4 和角度最大允差值的大小来压缩数据，这一点能最大限 度地满足机械产品外形和精度要求。能够最大限度地保留原有点云数据的外 形，提高压缩后数据点的精度，对海量点云数据的压缩具有实际应用价值。 针对所采集的激光扫描点云密集和数据量大的特点，重点研究了截面线 点云数据的光顺处理，这方面比较著名的文献包括，e c km ，j a s p e r tr 和gh l i u ，y s w a n ga n dy f z h a n g 所提出的光顺算法，可是，g h l i u 和y s w a n g 等人所提出的光顺算法，其修正量是递进的，利用寻优函数的约束来确定修 正量，从而使坏点得到光顺，其修正量的阈值没有限制；修正方向的指向是 按照能量函数方程符号的变化作出决定，其编程实现相对复杂。由此，本文 提出了一种优化修正量光顺算法，在分块进行粗、精光顺处理采样数据过程 中，分别由曲率及其一阶差分符号的变化来辨识坏点。坏点的修正方向直接 按照能量函数方程确定出由型值点指向三角形形心的正或负的g 向；修正量 由赋初值开始，然后按照能量函数方程，递进搜索，满足能量代数式最小值 后搜索停止。本文所提出的优化修正量光顺算法，主要用于光顺激光扫描散 乱点云数据，该算法能够满足曲线曲面重构的光顺性要求，可以有效保留曲 线的原有几何外形。最后通过在二维散乱点云上的实例仿真，验证了所提算 法的适用性和有效性。 ( 3 ) 提出了用离散曲率算法进行截面线特征提取。 特征提取是逆向工程的重要步骤，其中截面线特征点的弱化是需要解决 的关键问题。本文重点研究了二维截面线特征点的提取。检索到有关特征点 直接提取的文献有，自适应k 曲率( a k c ) 函数算法，在断点提取中，a k c 函 数是用于提取拐角和光滑连接之间的特征点；映射高度函数( p h f ) 算法，p h f 函数用于从圆弧中区分出直线段的特征点提取；由l i u 和m a 提出的相对转 角绘图( r s t m ) 算法，用于辨识轮廓线的特征点提取问题。a k c 函数算法和 p h f 算法只能提取某种特征点，其广泛应用受到一定限制。 在研究了特征点直接提取上述文献相关算法的基础上，提出用离散曲率 法提取特征点。所提出算法的主要内容包括：用包含了高斯核函数曲线的曲 率表达式建立相关数学模型，选用了合适的离散尺度因子。根据离散曲率曲 线的局部极值点，确定出截面线特征点集，并进行特征点的融合。所提出的 摘要 算法用于准确地获取激光扫描点云的原始设计意图，能最大限度地与原有形 状特征元保持一致。顺利地完成逆向建模过程的关键一步。在实例应用中， 把r s t m 算法和所提出的离散曲率算法在实例应用上做了输出比较，结果 是，本文提出的离散曲率算法特征点提取问题，能够提取弱化的特征点，不 容易出现特征点的漏检问题，是一种适用和有效的算法。 关键词激光扫描；点云数据；切片；噪声点去除；优化修正量光顺： 点云压缩；离散曲率法；特征提取 a b s t r a c t a b s t r a c t 2 w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r a n dm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , r e v e r s ee n g i n e e r i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di np r o d u c tr e i n n o v a t i o n a n dd e s i g n a sar e s e a r c hh o tt o p i co fg e o m e t r i c a lc o m p o n e n t sa n da ni m p o r t a n t g e o m e t r i cm o d e l i n gt e c h n i q u e i nr e v e r s e e n g i n e e r i n g ，d a t ap r o c e s s i n g t e c h n o l o g yb a s e do nl a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u d ，w h i c hi sr e g a r d e ds c a t t e r e d p o i n t c l o u dd a t aa st h e t h eb a s i ce l e m e n t d u r i n g t h e p r o c e s s o fd a t a p r e p r o c e s s i n ga n dm o d e l i n g ，a n d w h i c hi ss o i m p o r t a n tt h a t i ti sf u l lo f d e v e l o p m e n t a th o m ea n da b r o a da t p r e s e n tt i m e t h e d a t a p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，r e g a r d e dt h eo b t a i n e dp o i n tc l o u dd a t a a sp r o c e s s i n go b je c t sa n d w i t h o u tb u i l d i n ga t r i a n g u l a rm e s h ，n o ws h o w si t su n i q u ea d v a n t a g e sa n di s b e c o m i n gah o tr e s e a r c hs p o t ，d u r i n gt h ep r o c e s so fd e a l i n gw i t hv e r yl a r g es c a l e p o i n tc l o u d ，p o i n tc l o u dd a t ap r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o na n dm o d e l r e c o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r , s o m ek e yi s s u e si nt h ef i e l do fr e v e r s ee n g i n e e r i n g h a v eb e e nd e v e l o p e dd e e p l y ，w h i c hi sh e l p e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n o fs h a n d o n gp r o v i n c e “c o m p l i c a t e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y r e s e a r c hb a s e do nm u l t i - s c a l ef e a t u r e s ” ( i t e mn u m b e r ： y 2 0 0 6 f 1 2 、 ( 1 ) i no r d e rt om e e tt h ep r e c i s i o no ff o l l o w i n gp r o d u c td e v e l o p m e n ta n d r e c o n s t r u c t i o n i n r e v e r s e e n g i n e e r i n g ， m a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o n a n d c l a s s i f i c a t i o na b o u tn o i s eh a v eb e e nc o m p l e t e l yf i n i s h e d ，a n das e to fd a t a p r e p r o c e s s i n gp r o c e s sh a sb e e ns e tu p ，w h i c hc a nm i n i m i z eo re f f e c t i v e l y e l i m i n a t et h en o i s e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u dd a t a ，s o m e m a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o n a n d g e n e r a t e d m e c h a n i s mo fn o i s ep o i n t sa r e d e s c r i p e d b a s e do nt h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h en o i s ep o i n t sa r e c l a s s i f i e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，o n ei st h a tc a u s e db yt h es y s t e mm e a s u r e m e n t e r r o r a ( x i ，y l ，z a n d t h es y s t e mr a n d o me r r o r p b i ，y i ，z 3 ，t h e o t h e ri st h a t s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( y 2 0 0 6 f 12 ) v l i 山东大学博十学何论文 c a u s e db yt h er a n d o mc o m p o n e n t g s ( 而，y i ，毛) ，t h er e m o v a lo f w h i c hi sc a r r i e d u pa c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c sr e l i e do ns o m e f e a s i b l ed e - n o i s e dm e t h o d s s o ，as e to fd e n o i s e dp r o c e s so fd a t ap r e - p r o c e s s i n gi sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n gt h e r e m o v a lo fo b v i o u s l yn o i s ep o i n t s ，s m o o t h i n gf i l t e rp r o c e s so fn o i s ep o i n t s ，a n d s m o o t h i n gp r o c e s so fp o i n tc l o u dd a t a ，e t c t h e r u nr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e n o i s e dp r e - p r o c e s s i n gp r o c e s sc a nm i n i m i z en o i s ep o i n t s ，a n dc a nm e e tt h e p r e c i s i o n o f f o l l o w i n gp r o d u c td e v e l o p m e n t a n dr e c o n s t r u c t i o ni n r e v e r s e - e n g i n e e r i n g b a s e do nt h e s l i c e d p o i n t c l o u dd a t a ( f r o m t h r e e - d i m e n s i o n a ld i s c r e t ep o i n tc l o u dd a t ao ft h em o d e lt ot h eo b t a i n e dp o i n t c l o u dd a t ao ft w o d i m e n s i o n a lc r o s s - s e c t i o nc o n t o u r ) ，w h i c hc a u s e db ys y s t e m m e a s u r e m e n te r r o r ，s y s t e mr a n d o me r r o ra n ds y s t e mr a n d o mc o m p o n e n t ( 2 ) t h ep r e p r o c e s s i n ga lg o r i t h m sa b o u tm a s s i v el a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u d d a t ah a v eb e e ns t u d i e d ，a n da no p t i m i z e da m o u n to fs m o o t h i n ga l g o r i t h mh a s b e e np r o p o s e d i n t h i sp a p e r ，a nb i a sp a r a m e t e ra l g o r i t h ma n da na l l o w a b l ed i f f e r e n c eo f a n g l ei sp r e s e n t e dt oc o m p r e s sp o i n tc l o u dd a t a ，u n d e r t h ec o n d i t i o no fi n t e n s i v e a n dm a s s i v el a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u dd a t aw h i c hi sn o te a s yt os t o r e ，a n dd a t a a c c u r a c ya s s u r e da f t e rd a t ac o m p r e s s i o n ，w h i c hi su s e dt op r o c e s sl a s e rs c a n n i n g p o i n tc l o u dd a t at h r o u g ht h eb i gn o i s ep o i n t sr e m o v a l ，f i l t e r i n ga n do p t i m a l a m o u n ts m o o t h i n gp r o c e s s t h ea b o v em e n t i o n e dc o m p r e s s i o na l g o r i t h mi s s i m p l ea n di n t u i t i v e ，w h i c hc a nc o m p r e s s t h ed a t ab a s e do nt h es i z e q ft h e t o l e r a n c ev a l u e sa b o u tb i a sp a r a m e t e ra n db i a sa n g l e ， a n dc a nm e e tt h e r e q u i r e da p p e a r a n c e a n dp r e c i s i o no fm e c h a n i c a lp r o d u c t sg r e a t l y t h e a l g o r i t h mc a np r e s e r v et h eo r i g i n a ls h a p eo fp o i n tc l o u dd a t a ，a n dc a ni m p r o v e t h ea c c u r a c yo ft h ec o m p r e s s e dd a t ap o i n t s ，w h i c hh a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u eo nt h ec o m p r e s s i o no fm a s s i v ep o i n tc l o u dd a t a a st h ec o l l e c t e dl a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u dd a t ai si n t e n s i v ea n dl a r g e ， s o m es m o o t h i n gp r o c e s sa l g o r i t h ma b o u tl a s e rs c a n n i n gp o i n td a t ao fas e c t i o n a l c u r v eh a v eb e e nm a i n l yr e s e a r c h e d t h ew e l l k n o w nl i t e r a t u r e si nt h i sf i e l d ，e c k m ，j a s p e r tr ，a n dg h l i u ，y s w a n ga n dy f z h a n g ，i nw h i c ha ns m o o t h i n g v l i i a b s t r a c t a l g o r i t h mi sp r o p o s e d h o w e v e r ，t h es m o o t h i n ga l g o r i t h m s a r ep r o p o s e db y g h l i ua n d y s w a n ge t c ，t h e r e v i s e da m o u n ti s p r o g r e s s i v e ，a n d t h e c o n s t r a i n e do p t i m i z i n gf u n c t i o ni su s e dt od e t e r m i n et h ea m e n d m e n ta m o u n t ， w h i c hh a sn ol i m i tt ot h et h r e s h o l dv a l u e a n dt h er e v i s e dd i r e c t i o nt op o i n ti s d e t e r m i n e di na c c o r d a n c ew i t hc h a n g e so fe n e r g yf u n c t i o ne q u a t i o ns y m b o l s ，i n w h i c ht h ei t sp r o g r a mi s r e l a t i v e l yc o m p l e x t h u s ，a no p t i m i z e da m o u n to f s m o o t h i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi d e n t i f i e db a dp o i n t si n a c c o r d a n c e w i t ht h e s i g nc h a n g e o ft h e i rc u r v a t u r e sa n d c o r r e s p o n d i n g f i r s t o r d e rd i f f e r e n c e s d u r i n g t h e p r o c e s s o fc o a r s e s m o o t h i n ga n d f i n e s m o o t h i n g t h ec o r r e c t e dd i r e c t i o no fb a dp o i n t si sp o i n t e dt ot h ep o s i t i v eo r n e g a t i v eg o ft h et r i a n g l ec e n t r o i df r o mt h es a m p l e dd a t ai na c c o r d a n c ew i t ht h e e n e r g yf u n c t i o ne q u a t i o n t h er e v i s e da m o u n th a sb e e na ni n c r e m e n t a ls e a r c h ， b e g i n n i n gw i t ha ni n i t i a lv a l u ea n dt h e nf o l l o w i n gt h ee n e r g yf u n c t i o ne q u a t i o n ， u n t i lt h em i n i m u mv a l u eo fe n e r g ya l g e b r a i ce x p r e s s i o ni sm e e t t h ep r o p o s e d o p t i m i z e da m o u n ts m o o t h i n ga l g o r i t h mi nt h i sp a p e r , m a i n l yu s e df o rs m o o t h i n g s c a t t e r e dl a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u dd a t a ，c a nm e e tt h es m o o t h n e s sr e q u i r e m e n t s o fc u r v ea n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sp a r t i c u l a r l y e f f e c t i v ei nt e r m so fs h a p ep r e s e r v a t i o n c a s es t u d i e sa r ep r e s e n t e dt h a t i l l u s t r a t et h ee f f i c a c yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m ( 3 ) ad i s c r e t ec u r v a t u r ea l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oe x t r a c tf e a t u r ep o i n t so fa s e c t i o n a lc u r v e f e a t u r ee x t r a c t i o ni sa ni m p o r t a n tp r o c e s si nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，i nw h i c h w e a kf e a t u r ep o i n t so fas e c t i o n a lc u r v ei st h ek e yi s s u e st ob ed e a l e dw i t h t h e f e a t u r ep o i n t se x t r a c t i o no ft w o - d i m e n s i o n a lc r o s s s e c t i o n a lc u r v ei sf o c u s e do n i n t h i sp a p e r t h er e t r i e v e dl i t e r a t u r e sa b o u tf e a t u r ep o i n t se x t r a c t e dd i r e c t l y i n c l u d et h ea d a p t i v ek - c u r v a t u r e ( a k c ) f u n c t i o na l g o r i t h m ，w h i c hi su s e dt o e x t r a c tt h ef e a t u r ep o i n t sb e t w e e nc o r n e ra n ds m o o t hc o n n e c t i o n ，t h em a p p i n g h e i g h tf u n c t i o n ( p h f ) a l g o r i t h m ，w h i c hi su s e dt od i s t i n g u i s hf e a t u r ep o i n t s f r o ma r ca n dl i n es e g m e n t s ，a n dt h er e l a t i v ea n g l em a p p i n g ( r s t m ) a l g o r i t h m p r o p o s e db yl i u a n dm a ，w h i c hi su s e dt oi d e n t i f yt h ef e a t u r ep o i n t so fc o n t o u r s l i j 东大学博十学何论文 t h ea k cf u n c t i o na l g o r i t h ma n dp h fa l g o r i t h mc a no n l ye x t r a c ts o m ec e r t a i n f e a t u r ep o i n t s ，w h i c hh a sc e r t a i nr e s t r i c t i o n su s e di nt h ew i d ef i e l d b a s e do n d i r e c t l ye x t r a c t i n g f e a t u r e p o i n t s o ft h ea b o v e - m e n t i o n e d d o c u m e n t s ，t h ed i s c r e t ec u r v a t u r em e t h o di sp r o p o s e dt oe x t r a c tf e a t u r ep o i n t s t h em a i nc o n t e n t so ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi n c l u d e ，t h ec u r v a t u r ee x p r e s s i o n c o m p r i s e do fg a u s s i a nk e r n e lf u n c t i o nc u r v ei su s e dt oe s t a b l i s ht h er e l e v a n t m a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a n das u i t a b l ed i s c r e t es c a l ef a c t o ri sc h o s e n a c c o r d i n g t ot h el o c a le x t r e m ep o i n t so fd i s c r e t ec u r v e ，as e to ff e a t u r ep o i n t si s d e t e r m i n e d ，a n dt h ef u s eo ff e a t u r ep o i n t si sc a r r i e do u ts u b s e q u e n t l y t h e p r o p o s e da l g o r i t h mi su s e dt oa c c u r a t e l yo b t a i nt h eo r i g i n a ld e s i g ni n t e n to ft h e l a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u d ，w h i c hc a ng r e a t l yk e e pw i t ht h eo r i g i n a ls h a p e f e a t u r ec e l lc o n s i s t e n t l y t h e nak e ys t e pi nr e v e r s em o d e l i n gp r o c e s si s s u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d d u r i n gt h ec o u r s eo fe x a m p l ea p p l i c a t i o n ，a no u t p u t c o m p a r i s o nb e t w e e nt h er s t ma l g o r i t h ma n dt h ep r o p o s e dd i s c r e t ec u r v a t u r e a l g o r i t h mh a sb e e nc a r r i e do u t ，w h i c ht h et h er e s u l ti st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d i n t h i sp a p e rc a ne x t r a c tt h ew e a kf e a t u r ep o i n t s ，a n dc a n n o tp r o n et ou n d e t e c t f e a t u r ep o i n t s t h e nt h eo u t p u tr e s u l t ss h o wt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sp r a c t i c a l a n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：l a s e rs c a n n i n g ；p o i n tc l o u dd a t a ；s l i c e ；n o i s ep o i n t s r e m o v a l ；a n o p t i m i z e da m o u n ts m o o t h i n ga l g o r i t h m ；p o i n tc l o u dc o m p r e s s i o n ；d i s c r e t ec u r v a t u r e a l g o r i t h m ；f e a t u r ee x t r a c t i o n x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 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责任由本人承担。 论文作者签名： 盍塑已 日期： 垫里3 靠3 日兰旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盍塑孽 导师签名： 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 产品的快速开发和创新设计是决定企业是否具有竞争力的关键。在新产 品的创新开发过程中，出现了许多先进设计和制造技术，如逆向工程，三维 c a d c a e c a m 、并行工程( c e ) 、虚拟制造( v m ) 、快速成型( r p ) 等。逆向工 程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 作为消化吸收已有产品的成果和先进技术，并进 行创新开发的手段，其理论研究和应用开发越来越受到工程技术人员和科研 工作者的重视，其直接的目的是，希望以较低的成本和更高的效率对原型产 品进行开发、创新和设计，从而为国民经济和国家现代化建设做出应有的贡 献【1 - 4 1 。 1 1 1 逆向工程基本概念 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ， 向工程起源于精密测量和质量检验， 路。 r e ) ，也称反求工程、反向工程等。逆 它是设计下游向设计上游反馈信息的回 传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为 正向工程( 或顺向工程) ，而产品的逆向工程是根据零件( 或原型) 生成图样， 再制造产品。它是一种以先进产品设备的实物、样件、软件( 包括图样、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、 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技术，是针对消化吸收先进技术 采取的一系列分析方法和应用技术的结合。广义的逆向工程包括形状( 几何) 逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一个复杂的系统工程。本文为形 状逆向( 5 1 。 目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状， 即重建产品实物的c a d 模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程。 这是因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的一 类设计结果，也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和制造过 程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于种种 山东大学博十学何论文 原因，最初并不是由计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 模型描述 的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要 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 ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ，c a m ) 、快速原型制造和快速模具( r a p i d p r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r e r a p i dt o o l i n g ，r p m r t ) 、产品数据管理( p r o d u c t d a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 及计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e m a n u f a c t u r es y s t e m ，c i m s ) 等先进技术对其进行处理或管理。同时，随着现 代测试技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信息已变成现实。目前， 这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为 c a d c a m 系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。 在这一意义下，“实物逆向工程”( 简称逆向工程) 可定义为：逆向工程是和将 实物转变为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技 术的总称。 1 2 课题的应用情况和研究背景 逆向工程作为一种新的设计理念和设计方法，在新产品开发和创新等方 面有着广泛的应用，其主要表现如下： 逆向工程作为一种新的设计理念和设计方法，在新产品开发和创新等方 面有着广泛的应用，其主要表现如下： ( 1 ) 在只有实物的情况下，缺少原始的设计图纸和设计参数，要想对原 有产品进行改进和开发，需要将实物的各个零部件转化为c a d 模型，从而 利用现有的逆向技术以及计算机辅助分析( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 等 先进技术，进行创新设计。 ( 2 ) 机械产品中的很多零部件，其外形不是简单的几何曲线，而是有较 高美学要求的自由曲线，用现有的数学建模等技术直接造型难以实现。其在 制作时，往往先制作出比例模型，进行各种工程实验，来进行设计。一旦设 计完成，需要用逆向工程技术来输出产品的几何外形，进而转化成所需的 c a d 模型或者其它形式，便于产品的使用、推广、改进、创新。 ( 3 ) 在某些领域，比如模具制造中，零件最终定型之前需要修改若干次， 每一次修改，都会有相配套的c a d 模型等，需要的人力物力是非常庞大的。 2 第1 章绪论 曼曼曼曼皇曼舅曼鼍曼皇鼍i ii；i i ；i ；ii i ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! 笪! ! ! ! 曼! 曼曼曼! 曼 逆向工程的应用，为快速建模提供了有效的手段，节约资金，缩短制造周期， 为得到最终符合要求的模具提供了一条新的途径。 ( 4 ) 在生物医学工程领域，逆向工程技术的引入，可以摆脱原来的落后 制造方法，比如手工制作人工关节、进行牙齿矫正等。利用逆向工程及其相 关的c a d c a m c a e 技术，可以使重构的人工关节和骨骼设计和制造周期 缩短，而且吻合性好，把因为形状不符所造成的不良影响降到最低。同样地， 牙齿矫正的成功率和效率也会大大提高。类似的应用还有很多，在此不一一 列举。 ( 5 ) 有关逆向工程在其它领域的应用，比如对工艺品、文物的备份和复 制工作，还可以方便地实现网上保存和制作等，为制作数字工艺展和文物展 做好基础。 从上面的应用领域和应用方向可以看出，逆向工程在复杂外形产品建模 和新产品开发中，具有不可替代的作用。在应用逆向工程过程中，做到灵活 地与其它先进设计和制造技术结合使用，能够显著地缩短产品开发周期，提 高产品的设计水平，为制造业迈上一个新台阶打下坚实的基础。 本论文的定位点主要是逆向工程的散乱点云处理和特征提取，有关这方 面的研究，目前有许多国家和单位正在开展。国外的有，u g 、p r o e 、c a t i a 等软件公司已推出了自己的软件模块，产品趋向商品化和成熟化。类似的公 司和软件还有，i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e r 表面制作软件，d e l c a m 公司的 c o p y c a d 产品等。国内的有，浙江大学推出的r