（机械制造及其自动化专业论文）结构光面扫描误差分析系统的设计.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 逆向工程是一门快速发展的新兴学科，是一门综合运用计算机视 觉、计算机图形学、控制理论、数字图像处理、传感器等各种先进理论、 技术和方法的系统工程，是各学科交叉的前沿研究领域。逆向工程与快 速成型的结合，带来了一种全新的产品设计、制造及三维尺寸测量模式。 目前国外的反求设备和软件的发展较快，水平较高，但是价格也很昂贵， 因此，开发出国产的设备和软件是当务之急。 本文概述了逆向工程技术在国内外的研究、应用状况及其在快速成 型技术中的重要作用，同时对本课题的理论及现实意义作了阐述。 本文提出的结构光面扫描三维测量系统是基于机器视觉光栅编码 原理的结构光扫描双目视觉测量技术。本文对结构光面扫描三维测量的 硬件系统作了精心的选择和设计并对本测量系统误差分析软件中的关 键技术的算法及实现做了详细的论述。该误差分析部分分为三维数据格 式的读取和显示、基于拾取点的三维图形的预拼合和基于i c p 算法的三 维图形的完整拼合、误差值的求取和误差值的彩色显示三个技术单元。 误差分析部分是结构光面扫描三维测量系统的一个重要环节，本文 讨论了包括人机交互界面拾取、多视数据对齐定位及不同三维数据间的 误差值求取等技术。另外针对结构光面扫描三维测量系统和本误差分析 软件部分的特点，提出了一种快速的“基于正交投影射线法”的空间点 拾取技术和在误差值求取过程中一种高效的判别“点在三角形内”的方 法，并给出具体实现细节。 最后对本人所做的工作进行了总结，并对逆向工程技术的发展前景 作了展望。 关键词：逆向工程机器视觉 正交投影| c p 算法 误差分析拾取多视数据定位 s t lc c d 辽j 1 工程技术大学硕士学位论文一i i a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n gi saf a s t d e v e l o p m e n te m e r g i n gs u b j e c t ，i s a s y s t e m a t i z ee n g i n e e r i n gs y n t h e t i cu t i l i z i n gc o m p u t e rv i s i o n ，c o m p u t e r g r a p h i c s ，c o n t r o lt h e o r y ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，s e n s o re t c a d v a n c e d t h e o r y ，t e c h n i c a la n dm e t h o d ，i sv a r i o u ss u b je c t s o v e r l a p p i n gr e s e a r c h f i e l d c o m b i n i n gr e v e r s ee n g i n e e r i n gw i t hr a p i dp r o t o t y p i n gh a sb r o u g h ta k i n do fb r a n d n e wp r o d u c td e s i g n ，m a n u f a c t u r i n ga n d3 - dm e a s u r e m e n t p a t t e r n s a tp r e s e n tt h ed e v e l o p m e n to fo v e r s e a sr e v e r s ee q u i p m e n ta n dt h e s o f t w a r eti sq u i c k ，l e v e li sh i g h ，b u tt h ep r i c ei sv e r ye x p e n s i v e ，t h e r e f o r e ， d e v e l o p i n gd o m e s t i ce q u i p m e n ta n ds o f t w a r ei su r g e n t t h i sp a p e rh a ss u m m a r i z e dt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o no f r e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n ，a n di t sv i t a l r o l ei nr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，a tt h es a m et i m e ，h a se l a b o r a t e dt h i s t o p i c t h e o r ya n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h es t r u c t u r el i g h t3 - dm e a s u r e m e n ts y s t e mi sb a s e do nt h es t r u c t u r e l i g h ts c a n n i n gb i n o c u l a rv i s i o nm e a s u r e m e n to fm a c h i n ev i s i o nd i f f r a c t i o n g r a t i n gc o d ep r i n c i p l et e c h n o l o g y c a r e f u lc h o o s i n ga n dd e s i g n i n gt h e h a r d w a r es y s t e m so fs t r u c t u r e l i g h t 3 - dm e a s u r e m e n ta n dd e t a i l e d e l a b o r a t i n g e s s e n t i a l t e c h n o l o g ya l g o r i t h m a n di t sa c h i e v e m e n ti n m e a s u r e m e n ts y s t e me r r o ra n a l y s i ss o f t w a r e t h i se r r o ra n a l y s i si sd i v i d e d i n t ot h r e et e c h n o l o g i e su n i t ：t h er e a d i n ga n dd e m o n s t r a t i o no f3 - dd a t a f o r m a t ，t h ep r e c o n j o i n i n go f3 - dg r a p hb a s e do nc o l l e c t i n gp o i n ta n dt h e f u l lc o n j o i n i n go ft h r e ed i m e n s i o n a lg r a p h sb a s e do ni c pa l g o r i t h m ，a n d t h eo b t a i n i n ga n dc o l o rd i s p l a yo fe r r o rv a l u e t h ee r r o ra n a l y s i s p a r ti sa ui m p o r t a n tl i n ko fs t r u c t u r el i g h t3 - d m e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h i sp a p e rd i s c u s s e ss u c ht e c h n o l o g ya sm a n m a c h i n e i n t e r a c t i v ec o n t a c ts u r f a c e c o l l e c t i n g ，m u l t i - v i s i o nd a t a sj u s t i 巧a n d l o c a l i z a t i o n ，e r r o rv a l u e o b t a i n i n go fd i f f e r e n t3 - dd a t a i na d d i t i o n ， 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 fs t r u c t u r el i g h t3 - dm e a s u r e m e n ts y s t e m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i i a n de r r o r a n a l y s i ss o f t w a r ep r o p o s e sak i n d o fr a p i d c o l l e c t i n gp o i n t t e c h n o l o g y “b a s e do no r t h o g o n a lp r o j e c t i o nm e t h o do fr a d i a t i o n ”a n d h i g h l ye f f i c i e n tm e t h o df o rj u s t i f y i n g “p o i n t sw i t h i nt r i a n g l e ”d u r i n g o b t a i n i n ge r r o rv a l u e ，a n dg i v e sc o n c r e t ea c h i e v i n gd e t a i l s f i n a l l ys u m m a r i z e st h e w o r kt h a th a sd o n ea n df o r e c a s tt h e p r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n tt or e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y 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 ，m a c h i n ev i s i o n ，e r r o ra n a l y s i s ，c o l l e c t i n g ， m u l t i - v i s i o nd a t a s l o c a l i z a t i o n ，o r t h o g o n a lp r o j e c t i o n ，i c p a l g o r i t h m ，s t l ，c c d 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果： 1 根据结构光面扫描误差分析系统的实现特点，对结构光面 扫描误差分析系统的硬件进行了设计。 2 针对结构光面扫描误差分析系统中误差分析处理的特点和 过程，提出了各步相应的解决算法。 3 针对结构光面扫描误差分析系统软件的部分特点，提出了一种 快速的空间点拾取技术和在误差值求取过程中一种高效的判别“点在 三角形内”的方法，并给出具体实现细节。 尽我所知，到目前为止国内外文献未见与本研究结论相同的报道。 作者：逝日期：超! ：至：皇 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着社会经济的发展、科学技术的进步和人们生活水平的不断提 高，工业产品更新的速度越来越快，生产方式日趋小批量、多品种。此 时工业产品按传统方式开发已经不能满足社会对产品更新速度及多样 式的需求，因此，工业产品开发的速度和制造技术的柔性化就变得十分 关键。在实际应用中，由于用c a d 软件绘制零件模型相当费力，况且 在实际工程中提供的往往都是实物，需要由实物制造模具或在它的基础 上改进设计。因此，提供了由实物直接获得三维c a d 模型途径的逆向 工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 技术便在此背景下应运而生并得到迅猛的发 展。 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里的新 技术 2 1 。逆向工程就是根据零件( 原型) 生成图样，再制造产品。它是 一种以先进的产品设备的实物、样件、软件( 包括图样、程序、技术文 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、材料学和计算机技术等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 逆向工程包括几何形状逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一个 复杂的系统工程。一般的逆向工程也称几何逆向，是指在没有设计图纸 或者设计图纸不完整以及c a d 模型的情况下，对产品( 或零件) 的实物进 行测量、数据处理，并在此基础上构造出产品( 或零件) 的c a d 模型，并 在此基础上进行再设计的过程f 3 】。本文研究的逆向工程，就是几何逆向， 技术主要集中在几何形状上，也即获取产品的三维尺寸重建产品实物的 c a d 模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程 4 1 ”。 因此，实物逆向工程，也就是几何逆向工程是我们通常所说的逆向 工程，简称逆向工程，就是针对现有零件( 样品或模型，尤其适合复杂 不规则的自由曲面) ，利用3 d 数字化测量仪器准确、快速地测量出轮 廓坐标值，并建构曲面，经编辑、修改后，将图档转至一般的c a d c a m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 系统，再由c a m 所产生刀具的n c 加工路径送至c n c 加工机制作所需 模具，或者以快速成形机( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 将样品模型制作出来， 这一流程称为逆向工程【5 1 ，如图l 一1 所示。 图l - 1 逆向 二挥流程图 1 2 国内外逆向工程测量技术研究、发展及应用概况 逆向工程技术具有广泛的应用领域和实用价值，因此世界上主要先 进工业国家纷纷投入巨资对此项技术进行研究开发和推广应用，他们无 不站在2 1 世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。目前 该项技术已经广泛应用于机械、汽车、航空航天、船舶、家用电器、轻 工、工业设计、医疗、建筑、工艺品制作以及儿童玩具等领域，取得了 巨大的经济效益 6 1 ，并且随着这一技术的不断发展和完善，其应用范围 将会不断拓广。逆向工程技术已经与3 d 技术融合成为信息制造业中的 重要一环。根据图1 2 我们可以预期3 d 的市场规模到公元2 0 0 5 年相对 于公元2 0 0 0 约会有3 4 7 7 成长率，市场的总体规模更将高达美金2 3 亿元，而且伴随着因特网的蓬勃发展3 d 的信息将更容易透过网络来分 享，于是加速了产品的研发与销售， 场需求；相较于2 d 的市场成长率， 高产值市场。 将使得产品的设计更紧密的贴近市 无庸至疑3 d 市场将是未来新兴的 目前的测量设备的发展，按通常的分类可以分为三坐标测量系统、 柔性三坐标测量系统、三维激光扫描测量系统、光学照相扫描测量系统 等。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a p l p l i c a l j o na m l k m z - y a m s 2 0 ib i m l i s o i y e a s 2 口日5 连m 地笪曼亘型l 丛型缝 c 矗n 虻彝豫 点r l ；a n i n 诫i o n 瞄u 哪m e d i d r e a l - t i m es i m u l a l m n s c i e i d i h c v i 剿罐i z 求i 圳1 6 i a p h k ：矗疗g n a lr h 幢 o i h + l l a 懈l s o u r c e l 自c h n 崩t 啦a 瞄c o r p 图1 - 23 d 市场应用图 接触式的三坐标测量系统测量技术已经非常成熟，即使是光学测量 和其他类型的三维测量手段日益普及的今天，传统c m m 仍是占市场份 额最大的三维测量手段。一般来讲，传统c m m 具有精度高、可靠性好、 技术成熟等特点，但测量速度慢、对被测物体的大小和重量有一定要求。 图1 - 3b r o w n s h a r p e 公司的 p m m c 7 0 0 三坐标测量机 图1 - 4 成都中测公司的最 新产品c l y i i 型单臂三为测量仪 所以，测点量要求较少的标准件的高精度测量一般都采用传统c m m 。 传统c m m 的制造厂家非常多，全世界大大小小近百家。除世界级的布 吲一聃盯雌 姻 ；昌轴酣 舯一悟，低王 薯 亿1毫；=一 攫窖1 5 2 3 鞋6 1 2逊蕊住埘美，强剞佤 旦五2 5 o 5 3 鼻蓐品 型王置t l l 出l誊引 进五2 s 2 2 3 4 4 j 一愎王越t 鼠 慨l 吼舯 辽宁工程技术大学硕士学位论文 朗硝普( b r o w n s h a r p e ，现为h e x a g o n 一部份) 、蔡司( z e i s s ) 等， 还有l k 、m o r a 、t r i m e k 、m o h r 等著名制造厂。b r o w n & s h a r p e 公司生 产的p m m c 7 0 0 是气浮导轨式三坐标测量机中精度最高的可以达到1p m 如图1 3 所示：光学式坐标测量机的产品中t o l o rl o b s c n 公司推出的 p r i m u s 精度最高的可以达到0 9 l am ：国内的也有北京南航立科、北京 天成等制造公司、西安爱德华测量设备有限公司，成都中测等，产品如 图i 一4 所示，主要制造低端划线三坐标测量机。 柔性三坐标测量臂又称“关节臂式三坐标测量机”或便携式三 坐标测量机”( p o r t a b l ec m m ，或p c m m ) ，是上世纪八十年代末发展 起来的一种三维测量手段，上世纪九十年代在欧美工业国逐步得到使 用。在近年来，随着精度和稳定性的提高，柔性关节臂技术和应用都得 到快速发展。过去几年的传统三坐标测量机的销售下滑和柔性关节臂的 销售的快速增加正说明了这一点。 图1 5f a r o 白金( p l a t i n u m ) 测量臂 图1 6c i m c o r e 的i n f i n i t e 世界上柔性关节臂制造厂有十多家，主要的有：美国f a r o 、美国 c i m c o r e ( r o m e r u s a ) 、法国r o m e r 、日本v e c t r o n 等。f a r o 是全球最大的关节臂测量机制造商，产量占市场总量的一半以上。除关 节臂测量机外，f a r o 还出品激光跟踪仪等测量设备。2 0 0 3 年推出的白 金( p l a t i n u m ) 测量臂是市场上最好的测量臂之一，如图1 5 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 - 5 - 其精度可以达到o 0 0 0 2 英寸。c i m c o r e 是美国著名专业关节臂测量机 制造商，也是最早开始关节臂测量机业务的专业公司，拥有多项专利。 c i m c o r e 作为专业关节臂制造商，一直保持着最优秀关节臂式测量机 制造商的地位。2 0 0 4 年推出的i n f i n i t e ( 无极臂) 是目前最优秀的测 量臂，如图1 6 所示，其精度可以达到0 0 2 m m 。这两家公司出品的柔 性关节臂占北美和中国市场的绝大部份( 9 0 以上) 。在国内目前还没 有生产此类设备的厂家，做科研的也不多。 激光扫描是上世纪九十年代迅速发展起来的种非接触式三维扫 描测量技术，因其快速、方便，近年已经成为最重要的非接触式测量手 段之一。目前市场上全球知名的主要几个品牌有英国3 ds c a n n e r s 公司、 美国普赛( p e r c e p t r o n ) 、法国k r e o n 、美国f a r o ( 法罗) 等。3 ds e a n n e r s 公司是世界最早开发三维激光测量系统的著名制造商之一，对三维激光 扫描市场的影响巨大，其产品是市场上最优秀的激光扫描系统之一。普 赛公司是世界最著名的三维激光测量系统制造商之一，其在线光学测量 产品几乎垄断了全球市场。普赛近年来几乎每年都推出新产品，目前是 该领域的先锋。k r e o n 是法国产品，其新推出的激光扫描头比其上一代 产品有很大的改进，也是目前市场上比较好的产品。f a r 0 2 0 0 4 年推出其 第一代激光扫描系统。从技术上讲，3 ds c a n n e r s 当属第一梯队，普赛 和法国k r e o n 属第二梯队，法罗相对较差，属第三梯队。 图1 7h r e 系列三维激光扫描系统图1 8深圳怡信l s h 8 0 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 对于激光扫描技术，国内有许多高校及研究机构进行此方面的研 究，如浙江大学、清华大学、华中科技大学、天津大学、西安交通大学、 西北工业大学、北京航空航天大学等，也取得很多可喜的成果，但商品 化的产品还不是很多，三维激光扫描系统目前有青岛海信、深圳特得维、 深圳鑫磊，华中科技大学快速成型中心研制h r e 系列三维激光扫描系 统，如图1 7 ；深圳恰信三维科技有限公司的l s h 系列3 d 复合型激光 抄数机，如图1 8 所示。目前精度可达到士o 0 5m m 。 光学照相扫描测量系统是今年发展起来得一种全新的测量设各，以 其方便、简单、快速、高效的特点迅速得到发展和应用。这种技术，由 于科技含量高、技术先进而且国内的研究开始的晚，所以目前主要由国 外垄断。世界上主要的知名产品有德国c o g n i t e n 公司出品的非光栅照相 扫描系统“现场照相扫描测量系统c o g n i f e n so p t i g o2 0 0 和 c o g n i f e n so p t i c e l l ，该系统量测速度为每幅照片1 毫秒，是目前世界 上唯一能够在震动环境如冲压车间等制造现场使用的非接触式测量系 统。德国g o m 公司出品的光栅照相式扫描系统，是目前中国市场上比 较常见的光学扫描系统，主要用于复杂曲面的扫描，其精度可以达到 o 0 0 5o 0 2 m m ，而且速度达到1 ，3 0 0 ，0 0 0 点7 s ，该系统包括测量头、 支架( 如图1 9 所示) 、控制器和计算机。 图1 9德国g o m 公司a t o s i i 辽宁工程技术大学硕士学位论文 测量头用螺钉固定在支架上，随意移动。测量时，系统向待测物体 投影一光带，用数码相机摄影，便能准确计算出其三维坐标。工件表面 测点处使用特殊的粘性目标，系统进行逐个测量，计算出各点的位置并 转换到工件的坐标系中。该系统还有一个特别好的优点就是测量头可以 任意移动到任意位置，而所测的数据自动拼合 7 1 。国内目前在三维非接 触面扫描方面的研究，主要集中在清华大学，华中科技大学，天津大学， 上海交通大学等几所大学，但是成熟的商品化产品还没有出现。 1 3 逆向工程在快速成型技术中的重要作用 1 3 1 快速成型技术概述 快速成型技术是8 0 年代末期首先在美国产生并商品化而发展起来 的一种新型制造技术，它高度集成了自动控制、数控技术、c a d ，c a m 、 计算机、激光技术、材料等学科的最新成果。由于工艺过程无需专用工 具与c n c 加工，使工艺大大简化，制造时间大大缩短，制造速度比传 统方法快得多。 随着社会经济的飞速发展和市场竞争的日益加剧，对制造业的要求 也越来越高，这就促使制造业必须进一步缩短新产品的研制和投放市场 的周期，提高产品质量和降低产品开发成本。同时，要求提高制造小批 量、多品种产品的灵活性，以满足社会个性化需求。与传统的设计开发 工具相比，快速成型技术无论是在开发周期还是在成本方面都具有相当 的优势。此外，依靠快速成型技术，还可以进一步改造现有的制造模式， 提高整个制造产业的加工水平【8 】。 不同于传统加工的材料去除法或变形成形法，快速成型法制造的零 件是采用增材法制成的成形件。从成形的角度看，任何零件均可看作是 由无数个空问薄片叠成的三维几何体，薄片的形状就是几何体的截面形 状。如果能将这些薄片逐片制造出来，然后依次将它们逐层粘合在一起， 最终即可得到期望的零件。这就使快速成型技术的基本原理。，因此， 快速成型就是一种由c a d 模型直接驱动，把三维零件的制造问题转化 为二维面片的制作并快速生成任意复杂形状三维实体的技术9 1 【1 0 】。 在快速成形加工过程中，材料处在一个逐点或逐层堆积的过程中， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 属于材料堆积成型制造技术，因此也称为“增加”加工法( a d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g ) 、生长型制造( i n c r e m e n t a lm a n u f a c t u r i n g ) j 1 2 1 。已相 对成熟的快速成型技术主要有：分层实体制造工艺( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g 。l o m ) 、选择性激光烧结工艺( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ， s l s ) 、立体光刻成形( s t e r e ol i t h o g r a p h y ，s l ) 、熔融沉积造型( f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) 、立体三维印刷( 3 d p r i n t i n g ) 等1 2 1 【1 3 1 引。 1 3 2 逆向工程在快速成形技术中的重要作用 。对于大多数产品来说，都可以在通用的c a d 软件( 如u g 、p r o e ) 上设计出它们的三维模型，但是出于各种因素的考虑( 如功能、工艺、 外观等) ，一些零件的外观十分复杂，很难在c a d 软件上设计出它们的 实体模型，即使能设计，也是相当费时费力的工作。用逆向工程技术输 入复杂零件的设计信息比利用c a d 软件人工输入要快得多，一般较复 杂的中小零件几个小时甚至几十分钟就可以完成，而用c a d 软件绘制 往往需要数天才能完成。另外，采用逆向工程技术也可以大大降低对工 作人员技术水平的要求 1 5 1 。 为了缩短产品开发、生产周期，常常需要由已知的产品模型制造模 具或在它的基础上作设计上的改进，逆向工程是实现这一目标的最佳方 法。对于形状比较复杂的产品，如果用传统的加工方法，周期长，成本 高。采用快速成型技术，周期会大大缩短，成本也会大幅降低。因此作 为先进制造技术之一的快速成形技术现己被国内外众多企业所采用。但 是无论哪种快速成型技术都会用到通过逆向工程技术获得产品的三维 实体模型的方法。所以一般的快速成形系统一般都会有配套的逆向工程 系统t 16 1 。 1 4 逆向工程技术测量方法简介 逆向工程c a d 技术一般以数字化测量设备的输出数据为原始信息 来源 17 1 。只有在得到要逆向的实体的表面三维信息，才能实现后面的工 作，如模型的检测，复杂曲面的建模、评价、改进和制造。而测量方法 的好坏直接影响到对被测实体描述的精确、完整程度，影响到数字化实 体几何信息的速度，进而影响到重构的c a d 曲面、实体模型的质量， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 属丁材料堆积成型制造技术，因此也称为“增加”加工法( a d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g ) 、生长型制造( i n c r e m e n t a lm a n u f a c t u r i n g ) “】【1 ”。已相 对成熟的快速成型技术主要真：分层实体制造工艺( l a m i n a t e d0 b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 、选择性激光烧结工艺( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ， s l s ) 、立体光刻成形( s t e r e ol i t h o g r a p h y ，s l ) 、熔融沉积造型( f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i a g f d m ) 、立体三维印刷( 3 d p r i n t i n g ) 等1 2 】1 1 3 l1 1 ”。 i 3 2 逆向工程在快速成形技术中的重要作用 对于大多数产品来说，都可以在通用的c a d 软件( 如u g 、p r o e ) 上设计出它们的二维模犁，但是出于各种因素的考虑( 如功能、工艺、 外观等) ，一些零件的外观十分复杂，很难在c a d 软件上设计出它们的 实体模型，即使能设计，也是相当费时费力的工作。用逆向工程技术输 入复杂零件的设计信息比利用c a d 软件人工输入要快得多，般较复 杂的中小零什几个小时甚至几十分钟就可以完成，而用c a d 软件绘制 往往需要数天才能完成。另外，采用逆向工程技术也可以大大降低对工 作人员技术水平的要求1 15 。 为了缩短产品开发、生产周期，常常需要由已知的产品模型制造模 具或在它的基础上作设计上的改进，逆向工程是实现这一目标的最佳方 法。对于形状比较复杂的产品，如果用传统的加工方法，周期长成本 高。采用快速成型技术，周期会大大缩短，成本也会大幅降低。因此作 为先进制造技术之一的快速成形技术现己被国内外众多企业所采用。但 是无论哪种快速成型技术都会用到通过逆向工程技术获得产品的三维 实体模型的方法。所以一般的快速成形系统一般都会有配套的逆向工程 系统d 6 1 。 1 4 逆向工程技术测量方法简介 逆向工程c a d 技术一般以数字化测量设备的输出数据为原始信息 来源f 17 1 。只有在得到要逆向的实体的表而三维信息，才能实现后面的工 作，如模型的检测，复杂曲面的建模、评价、改进和制造。而测量方法 的好坏直接影响到对被测实体描述的精确、完整程度。影响到数字化实 体几何信息的速度进而影响到重构的c a d 曲面、实体模型的质量， 体几何信息的速度，进而影响到重构的c a d 曲面、实体模型的质量， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 并最终影响到整个工程的进度和质量。因此，它在整个逆向工程的链条 中，处于整个工程的开始，因此是整个工程的基础，也是逆向工程技术 的一个关键技术部分。 目前，三维表面数据采集方法可以分为接触式和非接触式两大类 【18 1 。接触式测量方法包括：坐标测量机( c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ， c m m ) 和层析法。非接触式测量方法包括：光学测量、超声波测量、 电磁测量等方法。各种测量方法，如图1 1 0 所示【 。 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 ，c m m ) 是一种大型精 密的三坐标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测 量。c m m 一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三 维坐标值。c m m 主要优点是测量精度高，适应性强，但接触式测头测 量的致命弱点就是测量速度太慢，测量效率太低，而且对一些软质表面 无法进行测量。 数 据 采 集 接 触 式 非 接 触 式 层 析 法 机械三坐标测量 吉 学 光 学 电 磁 学 习瓶 相 干 法 相 干 法 工业c t 核磁共振 被 动 式 激光测量i 一广一 翮一苎塑羔 l l 厂一 i 图馋分析 立体视觉 i _ j 逐层切削扫描j 图1 1 0数据采集方法 层析法是近年来发展的一种逆向工程技术，将研究的零件原形填充 后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截 面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优 点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破 一一一一一一一一一一一一一 差 | l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 坏性的。 基于光学三角型原理的激光扫描法这种测量方法根据光学三角型 测量原理，以激光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光 条等，将其投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收 激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体 基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的深度信息。此方法已经成 熟，目前已走向实用。如果采用线光源，激光扫描测量方法可以达到很高 的测量速度 2 0 1 。 基于工业c t 断层扫描图像法对被测物体进行断层截面扫描，以x 射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像，根据不同位置的断 层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形 状进行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据 时间长，设备体积大。 结构光投影测量方法是根据同一个三维空间点在不同空间位置的 两个( 多个) 摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间 几何关系来获取该点的三维坐标值。结构光投影测量方法可以对处于两 个( 多个) 摄像机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构 等扫描装置。结构光投影测量技术关键是空间特征点在多幅数字图像中 提取与匹配的精度与准确性等问题。有空间编码的特征的结构光投射到 被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的 问题，结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法，它的 原理是将具有一定模式的光源，如栅状光条投射到物体表面，然后用两个 镜头获取不同角度的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的 三维坐标，这种方法具有速度快、精度高( 精度可达o 0 2 m m ) 、成本低、 无需运动平台的优点。因此结构光投影测量技术是目前国际上争相发展 的一种测量技术，也是最有前途的一种测量技术之。 以上这些测量方法应用于快速成形时各有优缺点，它们之间的对比 见表l 一1 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表卜1 各种颡j 量方法的比较 能否测形状 材料 测量方法精度速度 限制 成本 内部轮廓 限制 三坐标高 慢否 无 无高 测量机法0 5 a n 结构光投影 较高 表面变化 快否无低 测量方法 0 ，0 2 朋脚 不能过陡 较低 表面不能 激光扫描法较快 否 无较高 0 0 5 m m 过于光滑 低 工业c t 扫描较慢能无有很高 ( 1 所m ) 较高 层析法较慢能无无较高 0 0 2 5m m 从上表可以看出，基于结构光投影的测量法精度高，速度快，成本 低。因此考虑技术成熟性、测量速度和精度等多方面原因，本文采用基 于结构光投影的测量方法。 1 5 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 较为系统的讨论了机器视觉光学系统的基本知识，讨论了相关 知识与硬件的关系，以理论作指导，通过实验初步选择确定了结构光面 扫描系统的硬件，为进一步的工作奠定了硬件基础。 ( 2 ) 介绍了结构光面扫描系统软件的设计开发流程及流程中各个 部分所实现的功能。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 3 ) 讨论了结构光面扫描误差分析系统软件中人机交互界面拾取、 多视数据对齐定位及不同三维数据间的误差值求取等技术，并针对三维 数据格式的读取和显示、基于拾取点的三维图形的预拼合和基于i c p 算 法的三维图形的完整拼合、误差值的求取和误差值的彩色显示等三个技 术单元做了详细的论述。 1 6 本章小结 本章首先逆向工程的概念，然后阐述了逆向工程在国内外研究、发 展和应用的概况及在快速成形技术中的重要作用，后简要的介绍逆向工 程中的测量方法，最后说明了本文所作的主要研究工作。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 机器视觉光学原理及结构光面扫描误差分析系统硬件的选 择与设计 结构光面扫描误差分析系统中光学系统的选择和设计对于测量系 统来说至为重要，本系统是基于机器视觉原理的，机器视觉原理的了解 对于测量系统的硬件选择至关重要。 2 1 机器视觉光学原理 2 1 1 机器视觉简介 计算机视觉( 也称计算机视觉) 是指用摄像机和计算机代替人眼对 目标进行识别、跟踪和测量等，它是人工智能领域最热门的研究课题之 一，它和专家系统、自然语言理解已成为人工智能领域最活跃的三大领 域。尽管它还没有形成完整的理论体系，在很多方面它解决问题的方法 还是一种技巧，但它是实现工业生产高度自动化、机器人智能化、自主 车导航、目标跟踪，以及各种工业检测、医疗和军事应用的核心内容之 一，也是实现智能机器人的关键因素之一，它的发展不仅将大大推动智 能系统的发展，也将拓宽计算机与各种智能机器的研究范围和应用领 域。 机器视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学 和技术。机器视觉系统的首要目标是用图像创建或恢复现实世界模型， 然后认知现实世界。机器视觉系统获取的场景图像一般是灰度图像，即 三维场景在二维平面上的投影。此时，场景三维信息只能通过灰度图像 或灰度图像序列来恢复处理，这种恢复需要进行多点对一点的映射逆变 换。在信息恢复过程中，还需要有关的场景知识和投影几何知识。 机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域，并成为计算机 科学的重要研究研究领域之一。机器视觉是在2 0 世纪5 0 年代从统计模 式识别开始的，当时的工作主要集中在二维图像分析和识别上，如光学 字符识别、工件表面、显微图片和航空图片的分析和解释等。6 0 年代， r o b e r t sf 1 9 6 5 ) 通过计算机程序从数字图像中提取出诸如立方体、楔形 体、棱柱体等多面体的三维结构，并对物体形状及物体的空间关系进行 描述【2 。7 0 年代中期，麻省理工学院( m i t ) 人工智能( a i ) 实验室的d a v i d 辽宁工程技术大学硕士学位论文 m a r r 教授于1 9 7 7 年提出了不同于“积木世界”分析方法的计算视觉 ( c o m p u t a t i o n a lv i s i o n ) 理论，该理论在8 0 年代成为机器视觉研究领域中 的一个十分重要的理论框架1 2 2 1 。 m a r r 视觉计算理论立足于计算机科学，系统地概括了心理生理学、 神经生理学等方面业已取得的所有重要成果。是视觉研究中迄今为止最 为完善的视觉理论。m a r r 建立的视觉计算理论，使计算机视觉研究有了 一个比较明确的体系，并大大推动了计算机视觉研究的发展。人们普遍 认为，计算机视觉这门学科的形成与m a r r 的视觉理论有着密切的关系。 m a r r 视觉计算理论将整个视觉过程所要完成的任务分成三个过程，而获 得这些表示的过程依次称为初级视觉、中级视觉和高级视觉，如图2 1 所示。 图像 要素图2 5 维图 3 d 描述 图2 1m a r r 视觉过程中的三个阶段 8 0 年代中期，机器视觉获得了蓬勃发展，新概念、新方法、新理论不断 涌现。有学者对计算机视觉理论的发展提出了不同的意见和建议。对 m a r r 的理论框架作了种种的批评和补充，综合这些意见及补充可得如图 2 2 所示的框架。 图2 - 2 补充的m a r r 理论框架f 2 3 同时，在扩充的理论框架中，引入了主动视觉的研究方法，在研究 辽宁工程技术大学硕士学位论文 - 1 5 一 中重视了对定性、有目的的视觉等的研究 2 4 , 2 5 j 。比如，基于感知特征群 的物体识别理论框架、主动视觉理论框架、视觉集成理论框架等。 2 1 2 机器视觉光学基础 ( 1 ) 几何光学成像公式( b a s i cf o r m u l a ) 首先，我们会用到几何光学关于成像的基本公式，对于图中所示的 成像系统，就是： ! + 土：当( 2 - 1 ) 这里u 是物体到镜头的距离，即物距，v 是镜头到成像的距离，即 像距，f 是镜头的焦距，也就是平行光入射到镜头时产生的会聚点到镜 头的距离。从这个公式可以看出，对于成实像的系统，像距总是大于焦 距，而且物距越大，像距越小，直到物距是无穷远时，成像在焦平面上。 ( 2 ) 放大率( m a g n i f i c a t i o n ) 这个光学系统的放大率是m ： m ：h ：f o _ _ y v ：v ( 2 2 ) hlu 这里h 是像高，h 是物高。做机器视觉系统时，需要考虑物体怎样完 整成像到c c d 芯片上并保证对物体的分辨率，所以选择摄像机和镜头 时需要综合考虑放大率的影响。如图2 3 所示： 图2 3c c d 拍摄照片时候的简化光路图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 3 ) 视场( f i e l do fv i e w ) 视场就是整个系统能够观察的物体的尺寸范围，也就是c c d 芯片 上所成图像对应的物体大小： fov=ml(2-3) 这里l 是芯片的长边或短边，而对应的f o v 即是相应方向的物体 大小。当然，f o v 也可以用角度来表示： + t a n g t 9 = 五l ( 2 - 4 ) 经常可以看到镜头用角度来给出视场的大小。 ( 4 ) 工作距离( w o r k i n gd i s t a n c e ) 也就是物距，物体到镜头的距离u 。 ( 5 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) 分辨率描述的是光学系统能够分辨的最小物体的距离，这里有一个 不确定的因素，就是什么情况下可以认为是可以分辨的。一般采用的是 所谓的瑞利判据。如图2 - 4 所示，由于衍射、像差等影响，光学系统对 一个点所成的像的强度成钟形分布，那么两个相近的点所成的像会有重 叠，两点越近，重叠部分越大，两点中间的强度不再是零，而是越来越 接近最大值。瑞利判