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硕士论文逆向工程数据处理关键技术研究 摘要 本文研究了数据获取的不同方法和获取数据的不同特点，分析了逆向工程中的数 据处理各项技术，并着重研究了数据滤波、数据精简、多视拼合技术等关键技术，建 立了数据处理的整体功能框架模型。 本文研究了数据滤波技术，提出了散乱数据的曲面插值平滑滤波方法；研究了数 据精简技术，分别提出了扫描线性数据的数据精简方法和散乱数据的四叉树栅格数据 精简方法，并给出了具体的算法流程；研究了并给出了应用工程的坐标变换和数据融 合的方法；研究了特征提取，对特征点、线的提取，特征的识别等过程提出了相应的 解决方案。研究了数据分块技术，结合特征提取的过程和算法，提出了基于特征框架 的数据分块方法。 关键词：逆向工程，数据处理，特征提取，数据分块，数据滤波，数据精简 硕士论文逆向工程数据处理关键技术研究 a b s t r a e t t h i sp a p e rs e e k st or e s o l v et h ek e yp r o b l e m so fd a t ap r o c e s s i n gi nt h e r e s e a r c ha r e ao fr e v e r s e e n g i n e e r i n g t h e d a t ao b t a i n e d b yd i f f e r e n t a p p r o a c h e sh a v ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s 。t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n df e a t u r e e x t r a c t i o na r ea n a l y z e d a t i i r s t ，t h ef u n c t i o nf r a m em o d e lo fd a t ap r o c e s s i n gi se s t a b l i s h e dt o g u idin gt h ew h o l er e s e a r c hp r o j e c t t h e nt h es m o o t hd a t af i l t e r i n go fs u r f a c e i n t e r p o l a t i o no fs c a t t e r e dp o i n t sa r ep u tf o r w a r db yt h ea u t h o r a f t e r a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n to fp o i n t sr e d u c t io n ，t h en u r b ss u r f a c e r e d u c ti o na n dt h eq u a d t r e es t r u c t u r e b a s e dm e t h o do fs c a t t e r e dp o i n t sa r e p r e s e n t e d t h es p e c i f i ca l g o r i t h m so fe a c ha r e g i v e n t h ec o o r d i n a t i o n t r a n s f o r m a t i o na n dd a t am e r g i n gm e t h o da r ea l s od i s c u s s e d t h e a p p r o a c h f e a t u r ee x t r a c t i o ni s p r e s e n t e db a s e do nt h ea n a l y z i n go ft h e g e o m e t r i c i e a t u r e so fp o i n t ss e t s ，s u c ha sp o i n t sii n e se t c c o m b i n e dt h ep r o c e d u r e a n da 】g o r i t h mo ff e a t u r ee x t r a c t i o n ，t h ed a t ab l o c k i n gb a s e do nt h ef e a t u r e f r a m eisp r o p o s e d k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，d a t a p r o c e s s i n g ，p o i n t sf i l t e r i n g ，d a t a b l o c k i n g ，p o i n t sr e d u c t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i o n 璧主竺兰堂皇三堡兰楚竺兰鲞堡些查! 窒 1 绪论 1 1 研究背景 在科学技术高度发展的今天，科技成粜的应用融成为推动生产力发展和社会进步 的蘸要手段。各国都在充分利用别豳的科技成果并加以消化吸收与创毅，发展自己瓣 新技术。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，极大倪进武器装备和民族经济简 嫂皴心f l j 以j 川戈l 峨措施。到目前为止，我凰已引进了不少国外先进技术翻设器，仳匙 ；班撒稻艟健披求成求和经济效益，逐要善于对引进的技术、设备进行深入阳研究、擞 收潲他纠例舶i ，从而存此潺础上开发出具有自主知识产权的先进j “品，并逐渐形成 m i 二技术 奉彖这对于迅速缩小我国和笈达国家的技术差距、并快速形成自主知识 产权的创新j n ，i 卜分蘑要的意义。 产晶数字开发技本是现代产晶开发技术中静核心技术之一。逆淘工程怒近年来获 展越来的一种产品数字开发方法，照现在研究的一个热点方向。它的出现极大地缩缎 了产赫兹舞发瘸麓，提高了产磊精菠：其不仪麓狠攒产晶酌物理原黧对其避行数字亿 建模，以实现对该产品的快速设计，而且可应用于形状需要反复试验、修改、实测才 髭定鍪豹产器，充分羁蠲c a x ( c a d 、c a m 、c a e ) 及p d m 等先透技术，逆国 工稷技术可以快速、有效的解决其产品的最终设计问题。逆向工程的作用主蒙在于改 善产菇并发豹技术农乎，鬟麓生产率，增强经济竞争力。当今，整莽各国奁蒸经济技 术发展领域中，大鬣应用逆向工程消化吸收先进技术经验，并提出一定的创新思想。 握绕诗，各瓣吾分之七十淡上熬鼓本源于莺薨先进搜寒，潜辩，莲淘工程终淹一穗浚 速的掌握技术的手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。 因此研究逆肉工程技术是快速瀵诧、吸收先遴技术遂露截造器秀发务耱毅产龋熬重要 手段，是制造企业筒向2 1 世纪全球市场激烈竞争的形式下，缩短产品开发周期、降 低成本、提巍竞争熊力的必鹿之路，对我国蓬民经济熬发震疑辩学技术承乎瓣提悫， 具有履大的意义。 总之，逆向工稷蹙弓l 进黧外先遴产晶懿戏果，续短我国掰产晶开发震麓瓣途径之 一，特别是对于形状复杂的物体或由自由曲面组成的物体效果尤其明显。目前，逆向 工程的思想、理论与方法广泛应用与舷空舷天、汽擎、轮船、工艺懿、囊其等奄监， 对予这些行渡的产品设计与制造具有重大的理论与实际意义。 顿士论文 逆向工程数据处理燕键技术研究 _ 一一 1 2 。逆向工程概述 1 2 i 逆向工程的定义 遂巍工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) i “2 】是8 0 年代发凌起来熬逆肉产鑫设诗悉想， 是将已肖产晶模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此潦础上对已有产 品进行解剖、深化和再制造，是已有设计的再设计，是集测量技术、计算机软硬件技 术、觋代产菇设诗与割逡技术瓣综合瘗瘸技术冽。 目前随着c a x ( c a d 、c a m 、c a e ) 及p d m 等先进技术在各个领域的深人 应爝，新技术发展为企业盼集成提供了更高的蘩穑。而维系觚产赫设计鲥翻造整个过 疆静关键楚产品翡售惠模鍪。含联、完备、无二义豹产茹模型爨旁c a d 、c a m 及 c a e 熬个过程。逆向工程的出现，使快速、准确地建立具有复杂外形的产品c a d 模 溅成为可能。 臻饕诗舞柱技术特爨是谤冀戡璇助凡秘设诗戆理论鞠技术数发鼹秘瘦怒，逆濑工 程褥到了不断发展，现已广泛地应魍于产品改进、创新设计，特别是只有复杂曲孺外 形的产龉，它极大地缩短了产黯的开发周期，掇离了产品精度，篷消化、吸收先进技 拳透舔龟造稻开笈善释凝产赫赞羹要手段。 逆向工程的纂本过程如下：先对已有的夕 来产品或实物模型，通过各种测量途径 ( 如用坐标测量机( c m m ) 测得的原始数据，或怒对产品进行断层扫描，切片后再采用 工业c 7 扫缀、翅接仪扫搓，鬣数字照裙等方法寒获得零l 譬豹叛缮銎像) 褥到产瑟瓣数 字信息，接餐，对这些图稼数据进行一系列处遐之后再进行特锻识别，然后，剥用这 嫂已识别出的特，征信息，借助商品化的几何造型软件进行实体造型形成零件的三维实 髂模型，罨遴过对耋稳鹅实体模型遴行改逶，在鼗蘩疆土梅造和设计浅往& 更荮鹣薪 产品，以便于后续实现技术( n c 编程加工或r p ) 的实施。 逆渤工程是缩短产晶开发髑期，实现快速制选的途径之一，尤其在形状复杂昭物 体凌鑫邀崮毅瑟缀成静秘钵的开发疆髑中。基蘸，_ i ；耋窝工程静悉愆、疆论与方法广泛 应用与航空航天、汽车、轮船、工艺品、玩具等行煅，对于这些行业的产黯设计与制 造具有煎大的理论与实际意义。 1 2 2 逆向工程的体系结构 逆藏工程一般哥势为鞫个狳毅： a 数据获舣 2 硕士论文逆向工稳数据处理菠键技术研究 通常采用三坐标测髓机( c m m ) 或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的 三维坐标值。 b 数据处理 对获取的数据进彳亍一系列数据处理( 如数据拓扑的建立、数据滤波、数据精镬、 特征提取与数据分块等) 。对于形状复杂的点云，经过数据处理，将被分割特征相对 单一的的块状点云。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特饺匹配与识别 的矗程i 束获取零件缘形所具有的设计与加工特，征。 o 蟓彤c a i ) 帧j 弘的i r 建 褥分涮再的i 纬：数据葫：c a d 系统中分鄹傲袭面模黧的拟合，并通过各表面片筋 求交与拼接获取零什厥形表1 n l n 勺c a d 模型。 d 重建c a d 横鳖翁裣验与修弧 根据获得的c a d 模型重新测精和加工出样品，来检验重建的c a d 模型是舀满 楚耪度或荬继试验往畿黎标瓣要求，黯不满足要求者重笺黻上过程，壹至达鹫零件的 设计要求。 一个宠整豹遂蠢工程流程，主要毽话数据获敬、数据处理、虢鬻重稔三个主要部 分。i l i j j ：逆向工程在实施过程中所涉及的内容和晰临的问题多，所以是一个系统工程 ”4 。敲援英_ i 俸滚程，这攫绘蹬了逆恕王程匏整髂框絮搂整，翔麓1 - 1 搿示。 蓬1 - 1 逶囱工程斡整体禳黎 其中，数据获取是逆向工程的首要前提，也怒重构合理实体c a d 模型的重要保 臻。数据处理熊援务是铮愆不嗣藏线錾瑟稳建方法，对疑豢数据遴行裙盔靛处理，鼓 满足其对测量数据质量、数量及拓扑结构的不同要求。它的结果将直接影响后期模型 重秘酌覆豢。彗妻嚣黧捣在邀囊工程以及穗关鹱蠛志攘当话跃，参数鼹嚣在黪器连续镶、 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 曲面约束及局部控制方面的良好表现而被普通应用于曲面拟合中。参数曲面重构方法 根据数据点的空间拓扑形式一般可分为两种形式：矩形域曲面重构和三角域曲面重 构。不同的重构方式，对数据处理的要求也不同。一般的，矩形域曲面重构的自由曲 面采用n u r b s 、有理b 样条、b 6 z i e r 参数曲线曲面来表示，要求处理的数据为四边 域拓扑结构，基于散乱数据的自由曲面的曲面重构则多采用三角域的拓扑结构。 1 2 3 逆向工程研究现状 川内外h 前关于逆向工程技术的研究相当活跃，市场上流行的商用c a d c a m 系 统也l 吲i 渊1 继推出各自的逆向工程模块，如u n i g r a p h i c s 、p r o e n g i n e e r 等，由于开 发商的侧重点不同，这些软件系统的功能也差别较大，如u g i i 以加工见长，i - d e a s 的有限元分析，p r o e n g i n e e r 的特征造型，形成了各具特色ca d cae ca m 系统。但除了p r o e n g i n e e r 和s t r i m 具有专门的反向模块外，其它系统都是“正向”的 c a d 系统，并不能适于现在制造业的需要。同时，由于理论和方法上的限制，各种 软件都没有达到理想的使用性能。大多数系统是针对具体的应用而开发，数据处理往 往针对特定的测量设备、测量对象，通用性差。基于目前的情况下，我们可以设计专 用的逆向设计的模块，来完成从数据获取( 测量) 到曲面重构部分的逆向设计，再借 助于商用c a d 软件强大的建模能力来完成c a d 模型的重建、改进，通过r p 技术或 c a x 技术实现产品的快速开发与制造。 1 3 研究内容及结构 在本文研究中，注意吸收借鉴以往研究的成果，针对其存在的缺陷提出自己的改 进意见，并提出自己的创新方法。本文的研究内容和结构如图l 一2 所示。 硕士论文逆向工程数据处理关键技术研究 图1 2 本文各章节内容及相互联系 5 硕士论文 逆风工程数据处理关键技术研究 2 数据获取技术研究 2 1 引言 数据状取，其实质就是零件表丽数字化，是指采用某种测量方法和设备测出实物 簧是l l 膨；6l 二缎点的屁爨墅攮，以获褥零传筠j t 锭馈惑。要塞麓逆胬王程，首先裁要 抛般刈啄& 门- - i 纠i ：信息。获取数狮的质量好坏将“接影l 川再续模删重建能否顺利进 限以及撼终漤强续梁魄质爨能否瀵足投本婴求。由此l 嘻毙，数摄获墩楚逆囱f 程豹 h 毁f 1 h 抛，足一f ：i ：构合耻实体c a d 棋型的重毁保障。 奉章埘数糍软墩姻缀则、数据获取的_ i 糍玉法腱l 竣墩妞数挺，续食 j 续蕊数耱； 处理进行研究和分析，以确定合理的测量蹄径和采样频率，为肝续数抓：处珊、曲面鲰 构撼供更合理、更完螯的零l 牛数字化信息。 2 2 数据获取的原则 快速、全面、究备地获取对象的表面信息，是数据获取所要实现的目标。对自由 叠螽线、魏面豹测量过程是一个数字化过程，都通过一系列离散的点提取曲线、曲面的 原始形状信息。数攒采集的质量和效率直接影响着厝期的模型重建的进程，关系着熬 个遵商工聪的成效。对于采样得到的点，毽论上可阻肯定毙潮断其测量值是褥体现了 对象的表面信息，但对于未采到的点，则不能肯定地判断。因而同对象，采用不间 豹测蠢路径秘采徉频率，经过照理纛往往会褥密不麓静结采，这一阏题对予复杂的自 由曲面尤其突出。由此可见，在无法通过对躲个曲面扫描得到曲面上所有点的情况下， 溅羹矮划就霞樗十分重要。 测量规划的目标是确定实物测缀采样点的数量和分布，并生成测量路径，测量路 径，靼溅量建程中对象表蓉羧离教懿夔线、鼗瑟。经过溅量，被测辩象静表疆信怠凌 它们的几何信息来替代。在确定测墩路径时，首先应保证尽可能完备地反映对象的几 鹰姆摇；其次，对予边秀、援线、燕率变必较大熬邀方，在点嚣，一定要在溺量躐 划中得以体现：要尽可能完熬地表现被测物体的型耐特征，曲面越复杂的地方，采集 点瘦越密集。 湿而易见，提高采样频率( 缩小采样间躐) 可以提高曲线的拟合准确度，但缩小采 样闻距将显鬻地降低数字化效率，镁数据量变褥庞大。因此，硬究热侮在一定采撵数 目下提高拟合准确度，尽可能真实地反映曲线的原始形状，域在给定拟合准确度的情 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 况下如何布置测点，使采样点数最少，对提高自由曲线、面曲的测量准确度和效率具 目前常用的采样方法有等间距采样、等弧长采样和等弧高采样法。 ：公：熔：公 o i2 3 0 i 2 l 0 i - ) 等闩臣洼 ( 吣辞疆长扶 图2 - 1 采样方法 0 1 0 2 口瑚l o123 c 时 o o 0 0 a 2 o 0 0 1 2， c 日等弦商法 图2 2 拟合误差 图2 - 1 所示为分别按等间距法、等弧长法和等弦高法在正弦曲线上采样7 个点时 正弦曲线的原始曲线、控制多边形和b 样条拟合曲线。图2 2 中( a ) ( b ) ( c ) 分别为按等 间距法、等弧长法和等弦高法在正弦曲线上采样3 0 个点时三种方法的b 样条拟合曲 线与原始曲线沿法线方向的误差【5 】。 从上图可以看出：均匀分布和等弧长分布在曲率最大的地方拟合准确度最低；等 弦高法的拟合误差均匀，基本不随曲率大小而改变，且小于其余两种方法的最大拟合 误差。由于等弦高法拟合误差均匀，可将它的拟合曲线看作原始曲线的近似等距线。 2 3 数据获取方法 逆向工程中的数据获取方法大体分为接触式与非接触式两类。接触式测量方法主 要有坐标测量机和层析法；非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、超 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 声波测量、电磁测量等方式。以下简要介绍在逆向工程中常用的一些测量方法。 a 坐标测量机( c o o m i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) l 6 j 坐标测量仪( c m m ) 是一种广泛使用的接触式测量方法，测量精度可以达到 o 5 微米。九十年代初，英国r e m s h a w 公司研制出一种三维力位移传感的扫描测 量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8 米秒，数字化速度最高可达5 0 0 点秒，精度约为o 0 3 m m 。这种测头价格昂贵，目前 尚未在c m m 上广泛采用。 c m m 主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且 由于采用接触测量，测量时产生接触压力，因而对一些软质表面无法进行测量。同时 整个测量过程始终需要人工干预，测量速度慢，对于获得的数据有时还需进行基准归 一化以及测头半径补偿，给后续的数据处理增加难度，因而不适于对自由曲面等需要 大量采集数据点的三维面形进行测量。 b 层析法r 1 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。层析法的优点在于可对任意形状，任意结构零件的内 外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。 c 基于光学三角型原理的激光扫描法【8 】 由于测量系统结构简单、测量速度快，且具有实时处理能力，因而该方法被广泛 采用。它既可以逐点测量，也可以进行线光条测量。测量精度在o 0 1 毫米左右，采 样速度可以达到每秒数万点。激光三角法测量原理如图2 3 所示。 摄相头 图2 3激光三角形测量 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 硕士论文逆向工程数攒处理关键技术研究 光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表蕊，并采用光电敏感元件在另一位 置接收激光的反射镱量，校锯光点躐光条在物体上成像的编移，通过被铡物体基平简、 像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。 d 。基于相位编移溺量原理静投影光街p 这种测爨方法将光栅祭纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调 稍，其条纹润熬稳彼关系会发生交纯，逶_ ；妻数字瑟像处理鹣方法解褥密光稀条绞图像 的相位变化麓来获取被测物体表面的三维信息。这类测量方法具有很高的测量速度和 较态斡精度，是远年来发震较荮懿三维传戆技术。 e 基于工业c t 断层掴描图像法【l o 】 这秘测餐方法对被溺携俸进雩亍凝层截蘧；据摇，黻x 射线豹衰减系数为莜据，经 处瑕重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像来建立物体的三维信息。该方法可 以对被测甥傣内部斡鲮穆弱形状进行无损溅量。瞧该方法造徐毫，渊塞系统豹空阉分 辨率低，获取数据时间长，设备体积大。美国l l n l 实验童研制的商分辨率i c t 系 统测量精度强0 0 1 m m 。 f 立体视差( s t e r o d i s p a r i t y ) 测量方法i l i 】 立体视菠测量怒根据固一个三维空闻点在不嗣察闻位篓瓣嚣个( 或多令) 摄像凝 拍摄的图像中的视麓，以及摄像机之间位鬣的空间几何关系来获取该点的三维坐标 值。立体视擞测量方法可以对处于龌个( 或多个) 摄像规共阈视野斑斡垦振特薤点送 行测量，而觅需伺服机构等掴描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在 多螭数字恩像中提取与匹配的糖度与准确链簿闯题。近来出现了以憋具有空阕编码懿 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7 n 量特征提取和 匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。 不论采臻何种数据获取方法，都应当遵循一个取样原则：尽可能完整地寝现被测 物体的型面特征，曲面越复杂的地方，采集点应越密集。当然，随着测量工具的改进， 已经可敬实现不需入_ i 干预的海量数据的采集，易满足该取样原则。 2 4 测量数据分析 数据楚瀵兹对象楚测量数据，不溺特征懿灏量数据掰采溺豹数撂簸理方式是不溺 的。通常把三维空间的点集称为“点云”【1 2 】域“点群”。在自动获取自由曲面数据时， 戈保涯后续处理静獠痰，常常采蔫分密集熬数据采集，其溅霪熹数一簸麸死万弱忍 百万点不等，就形成了“点云”。为了能有效处理各种形式的“点云”，根据“点云， 中懿点的分布特征( 翅撰歹方式、密度等) ，“点云”搿分为：教惑“点云”帮蠢痔“煮 云”。其中有序点云又可分为：扫描线“点云”、网格化“点云”和多边形“点云”几 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 类。 a 。教乱“点云” 测量点没有明显的几何分布特征，娶散乱无序状态。随机扫描方式下的c m m 、 激光点测藿等系统的“点云”呈域散乱状态。对遮耪点云进行数据处理。首先要建立 其拓扑关系，可通过三角剖分建立三角网格拓扑结构，以便于后续的数据处理。 b 扫攒线“点云” “点云”由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内。c m m 、激光 点三角测量系统沿直线搦接的测蹩数据和线结构光扫描数据呈现扫描线特征。 c 。阅格化“点云” “点云”中所有点都与参数域中的一个均匀阏格的顶点对应。将c m m 、激光扫 描系统、投影光栅测量系统及立体视差法获得的数据经过附格纯插值后得到的“点云” 即为网格化“点云”。 d 多边形“点云” 测量点分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平颟内距离最小的若干相邻点 依次连接可形成缀有嵌套的平藤多边形。葵尔等高线澜量、工娩c t 、层切法簿系 统的测量“点云”呈现多边形特征。 龟乡 ，溅量“点云”按点静分布密度可分蕊嵩密度“点云”嗣低密度“点云”。 c m m 的测量“点云”为低密度“点云”，通常在几十到几千点之间，而测量速度及 舞动纯狡发高熬光学法稻薮层溅潼法获褥的溺豢数据灸离密度“点云”，点数量觳 从几万到几千万点不等。 除了隧懿溅豢方法产生敖惑点云，在实际工程中，不论采爱c m m 竣继凝量箴激 光等非接触测量法，测量所得的点云即使没有建立拓扑，般在空间上也是具有些 援律豹。在鼗撂楚理对，胃毅剥弱这些媛溺售患。数据笼壤薅，铮黠熹云瓣不嚣姆薤， 采用相应的处理方法。目前普遍的数据点云形式主要有捆描线点云和散乱点云，其它 形式豹点羞可魍为这秀者戆特铡。爨 冀零文兹臻究主要赞怼这强耱影式瓣点云震开。 在论文期间，笔者进行了些实物对象的数据获取，附录a 为数据获取实验报告。 2 5 本辈小节 本章从逆向工程中的数据处理技术研究出发，深入研究了数据获取的有关内容， 对各釉测量方法的优缺点进行了深入分析。同时结合不周方法获取数据的不同特点， 本文提出了不同的数据赴理方法，为后缭曲面重构和建横奠定良好理论慕础。 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 3 数据处理技术关键技术研究 3 1 引言 数据处理是逆向工程中的关键环节。它的结果将直接影响后期模型重构的质量。 数据处理过程中经常包括以下几方面的工作：数据排序及矢量化，对于具有较复杂 形状的工件，测量数据中必然有一部分是无序的，须建立数据点间的拓扑关系。数 据滤波，增强数据的合理性。坐标变换，为方便后期的其他数据处理，有时需要对 数据进行坐标变换。数据多视拼合，增强数据的完备性，同时简化下一步计算。 特征提取，几何特征是几何造型的关键要素，它对控制几何形体的形状具有极为重要 的作用。数据精简，压缩不必要的曲面片内的数据点，减少后期计算量。数据分 块，整体曲面的拟合往往较难实现，通常采用分片曲面的拼接来形成整块曲面。 3 2 数据处理关键技术分析 3 2 1 排序及矢量化技术 将原始测量“点云”按一定的规则排序，使之在存储上具有方向性，这种排序规 则被赋予了特定的几何或拓扑意义。例如多边形“点云”经排序和矢量化后，可根据 排序方向来判断轮廓的内外关系。 对于高密度“点云”，其数据量往往高达几兆、几十兆甚至上百兆，无论何种几 何建模方法，其面对的首要问题是如何高效处理庞大的三维点群数据( 如特征点、邻 接点或边界点等的搜寻) 。原始的测点数据之间没有相应的、显式的几何拓扑关系， 任何点的搜寻都必须在点群集合的全局范围内进行：在几兆、几十兆无序测点数据集 合中遍历搜寻，是造成三维散乱点群几何建模速度很慢的主要原因。所以，需建立测 量点群之间的几何拓扑( 空间位置) 关系，减小数据的搜索范围，以提高密集散乱点群 几何建模速度。 对于扫描线点云，本文提出并实现了通过扫描线分组和线内数据点的排序的方法 来建立扫描线点云的拓扑结构。对于散乱点云，本文采用八叉树空问分割方法来建立 数据点的拓扑。 硕士论文 逆向工程数攒处理关键技术研究 3 2 2 。数据滤波技术 数据获取的方法虽然多样，但在实际的测量过程中受到人为或随枧因素的影响， 都不可避免会引入不合理的噪音点，这部分数据约占数据总量的0 1 5 h ，为了降 低或消除其对后续熏构的影响，有必要对测量“点云”进行滤波。噪音点的去除最早 在俯号和数字图像处理中研究，经常被归结在各种滤波器的设计研究中。对于数据爨 大的点云，常采用糨式判别的自动滤波技术，如标准高斯、n 点平均滤波、中值滤波 以及自适藏滤波法锌。 人机交互是逆向工程中最简单的去除噪音点的方法，假随着测量设备的不断改 避，测量耪俸掰褥鞠的点云的筑模麓来越大，人枫交互的瑙限经就照热突搿。对于散 乱j k 由于没有建立起数据点间的拓扑关系，除了人机交互方法，无法对其直接进行 滤波处理，此薅，裙先对数据进幸亍羲 穿，臻立拓努关系，然届再逐行滤波。 对于扫描线数据，本文研究提出并实现了基于距离阀慎和角度刿别的滤波技术； 对予教琵数据，本文逶过对数琵点邻域瘛遗行h a r d y 添数攒馕来实瑗噪音点静平滑滤 除。间时，本文研究实现了交互式数据滤波，可以方便地对明显噪音点进行删除操作。 具体磷究残暴将在3 4 章节中镶详缨论述。 3 2 。3 坐标变换技术 在逆向工程中，在以下蜻提中霉要运用坐标变换技术： a 测燮坐标系与物空间坐标系偏离较远，这就涉及到将测量坐标系向物空间钱 标系变换的问题； b 在变基准分块测量的情况下，需对测量数搿片族进行坐标归一，以便进行数 据融合。 c 为方便处理，实现x o y 平面与单德曲面点云的最大投影面重合时，需对点 云数据进行坐标变换。 由测量系统获得的测点艇标是在测量坐标系中的值j 当物体偏离测量系统原点较 远距离时，其获得数据的某魑坐标慎很大，这给后续的曲线曲面建构带来一定难度。 为了赢观方便缝送行数据处理，通常希望“点云”数据是耪空闯坐标系的值，这就涉 及到测量坐标系与物空间坐标系的坐标变换问题。其中的关键是指定物空间碰标系， 可采璃“3 2 1 ”法捂建锈空黼坐标系，郄先交互式选取三式，将这三点确定的面作为 物空间坐标系的x o y 面，在面内选两点( 可以是插傲法) ，这两点的连线作为x 轴， 再在瑟癌选一点，该点与辘静垂线穆为y 轴，垂定为坐标豫点o ，过坐标原点且垂壹 颈士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 于x o y 面囊线即为z 轴，z 轴正方向为物面坐标原点0 的法方向。在指定了物空间坐 标系螽，通过一系弼的坐稼组合变羧就能撼被钡耪俸上点的测量坐标转换为物空阅坐 标。有关于坐标变换的技术内容，本文将在3 6 章节的多视拼合技术研究中加以详细 潼述。 3 2 4 数据多视撬合技术 在逆悬王程造凝设计辩，考感到装配方案等毽索，裂 | ；对产嚣遴行整体造型，数 要求实际测爨数据必须是坐标统一和完整的。但在测量产品外形的过程中，如果产品 终形复杂，邋豢不在阂一测量基壤下将产品戆全罄轮瘵数援一次溅塞，嚣要对产灏 进行变基准分块测缴，所得到的数据称为多视数据。数据处理的一个重要过程就是多 视= | ! 仑，哪将多襁数据变换副同一炭标系中，经过融合形成一俸，从瑟宠整缝反歇羧 铡件l ，f 勺全貌。多视拼合一般包括坐标归一化和消除冗余数据两个步骤。目前，多视数 据阍重叠部分如何褥效及合理融合仍是逆良工程中豹难点之一。本文磷究提出蛉基予 扫描线数据和散乱数据三角网格的融合算法，可以较好地解决这个问题，并对基于神 经黼络的数据融合技术进行了可行性分析，提出了一秘耨的数据融合鳃决方法。 3 2 5 数据精简技术 自动测缀所得到的数据点云十分密集，数据存在大量冗余，无法直接用于监面构 造。瀣于数疆蘸冗余，导致很多无效运算开支，如栗不进行数据精简，会极大地降低 几何建模的速度。 数据耩筏懿强豹是压缩不螫要鹣数据点，在傈诞精疫酌翁提下生成适合予后续羧 合的结构，故而并不产生新点，只是简单地对原始“点云”中的点进行删节。并尽可 能多蟋操整凝始数箨患懿形状特 歪。在滚是纛续重稔技术要求懿前掇下，本文研究撬 出了一新的向量角度与距离阀值相结合的扫描线数据精简算法和四又树栅格散乱数 据精簿方法。 3 2 6 特 惩提取技术 在逆向工程中，模型重建可戬理鳃戈这样数过援：棂握逆求对象模型熬杰云，羹 建其几何和掰扑信息，并再现特征的过程。特征主要是指对曲面建模有关键影响的一 些局部曲面或曲线。习惯上搬其中的二次曲西以及曲藤之闻黪过渡越蕊统称必将堑藏 面，而把局部曲面之间的交线以及局部曲面的边界称为特征曲线。其中特征曲线是数 硕士论文 逆向工程数据处理荧键技术研究 据分块的依据，断特征鼹造型的基础f 1 5 】。这些特征对重构模型的品质有稽举足轻重的 乍用。 特饺提取主要是从测量数据点中提取出这蟪特征曲线和特征曲面。测量数据在经 过滤波、糖筒詹，接下浆就要提取线特缎。线特征主要毹括局部鼹面之阈的交线以及 髑部曲磷的边界。 目前常用的逆向工程c a d 建模软 牛都不8 精确再现曲面横挺的特缝或追加局部 特征，缺乏对特征的有效运算。在由n u r b s 表示的曲磷重构中，同样缺乏对特征曲 面的辨识，即便能对曲颟模型做较恰当的分块，也是统一对各块以自由曲面来构造， 影响重檎模型的傈形径和微分往质，增加了重榆代价。因诧，夜逆向工程的e a d 益 颟( 尤其是复杂曲璇) 黧构建模中，要想获得理想的结果，就必须提取反求对象的特 征，来避行基于特征的建模。鲡俺精确堍蒋现特往和造船设诗特征是目前逆向工程瞌 筒重建领域的热门研究问题和应用的核心技术1 ”。 3 2 7 数据分块技术 逆向工程中，反求对象的复杂表面通常包括多个不同类型的表面片，整体曲面的 拟合往缝较难以实现，建摸对应蓑先棂援不同类型表嚣劈熬形状变纯羧溅出表瑟片润 的边界轮廓，将三维测爨数据分割成不同的区域，然后将不同表筒区域的数据分别进 行曲嚣羹构，生贼不恳类型豹交嚣片，劳在此基酸上进纷整瑟爨挨，掩蔽缓谈l 穆体宠 禳的表面模型。在实际熏构中，常通过分块将整个复杂曲面分割成一些特征单一、凹 媳性一致艇区域，对每一区域进行单独薰构。特缎单一蠢裁于越嚣投合慰猿小误差秘 保持点云性质：凹凸性一致，为了便于届序的测避数据的光顺处理。由此可见，有效 的三维铡量数据分割也怒逆向工程中约关键技术之一。 对予测量数耀的分块问题，目前主要研究可分为两类：一类是基于边界分割法， 一类是熬予区域分割法。本文研究采用蘩于特征线框的区域分割法，在3 8 章节中给 予详细论述。 3 3 排序及矢量亿技术研究 3 3 1 研究背景 1 9 7 7 年，l a w s o n c ”1 挺篷了蕊于结煮的拓芥关系建立方法，这楚后来众多方法的 熬础。随后，又有人”1 提出了直接形成三维空间散乱点的拓扑关系的方法：先形成结 患爨表t l i s t 屠钠成t b l ( t r a n s i e n tb o u n d a r yl i s t ) ，默t l i s t 力窃始，究整三角亿。 1 4 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 篓寿山等 2 0 11 9 9 5 年提出了从曲面凸保形的角度进行散乱数据优化戈6 分的条件。实用 价值较大的是p a r k 等人f 2 1 1 完成的一种自适应的空间散乱点的光滑逼近方法，其茵先 基于内外边界和特征线构造初始三角形嘲格，对存在内边界的区域交互地分为几个无 内孔的予区域，然后逐步插入最大误差点并递推进行，直到所有数据点在设置的误差 阀值以内。这种方法将拓扑关系的建立和模型重奉笱有效缝统一起泉，优点楚实现简单， 数据压缩量大而且在加点的过程中只需对局部曲面片重构。柯映林【2 2 1 实现了c h o i 提 斑的三绥矗接三角化静方法，并将自己摇出的平丽域内三角纯方法p 3 1 俸为在复杂情况 下的补充。f a l l g 【2 4 1 在这方面做过大量的工作，他从平面散乱点的处理研究开始直到空 麓散乱点， 电靛差俸愚鼹为采彝i 释镀称作氆嚣盒( 空闻竣者平谣，静技术，将散懿煮 归入每个盒子当中，然后利用盒子的相羹关系建立拓扑。八叉树疑问分割在实体几何 建模、运动于涉稔验等方霹褥鹜成功运薏l ，可懿程三维散乱点云空闻翻分拓扑关系中 采用。 3 3 2 扫描线点云排序 在三坐标测量机上，自由曲面通常采用扫描方式测鬃：建立自由曲面工件坐标， 移动测头至测量起始点，懑定某坐标( 比如y 辕) 嬗，馒测头沿羲趋蟊在相应的搬拣 平面( o x z 平面) 内以扫描方式采点测量至曲面边界端。接着，在坐标y 轴方向移动测 头一个增量，继续以上述方式在o x z 平磷内扫描测量，最终遍及熬个待溅趣西。测量 得到的搦描线点云在空间上是由一组平面曲线组成，但在点云存储中却并不一定熙有 这种规律性，所以在进行数据导入对，首先需建立点云的数据结构。本文充分剥翅点 云数据的线形结构，将点云以扫描线的形式表示。 对于上文的这融点云，可利用扫描线为平面热线这特性，对点按y 饿进行分组， 每组数据为同一手j 描线内的点。考虑到数据测量误差精魔艿的存谯，组内数据的y 值 允许在2 拶的范尉内变动。将的得到的点缎按y 值大小进行排序，即可进行线问编号。 j c 童于每条疆描线，可按x 值大小进行 戮点，进行线商编号。这种编号方式有利予数 据处理时对点进行操作。此外，猩每一点对应于一i d 号，作为其唯一标志。在对点 避行鞠除、提取辩，可通过标记l d 的方法来简化数据操侔，提离效率。以上讨论的 是扫描平颟与坐标平面重合的简单情况。当扫描线所在平面不与搬标平面萋合时，可 邋过坐标变换使之重合，然后沿瓣壹据藏平蟊盼方向进行数据线划分。圈3 1 给离了 数据线分组划分的算法流程。 硕士论文 ， 一翌塑三堡鍪塑竺篓茎整苎查要窭 一 o 一 3 3 3 。散舌l 点云排序 图3 1 扫描线数据点分组划分 对密集散蔬森云遴行数摆处璞需瑟解决的个关键问题就怒建立测譬点云的几 帮瘫矜关系，帮空润霞嚣关系。爨始鹳测蓬点数攒之瓣没骞建立氕俺蘩羚关系，饪 莓 点露搜罨帮必须夜点群集合静龛麟范戮内送行，当散乱点云数据蘩庞大辩，这过程 将极大影嫡点尝钓处璎遮发。掰戳窍必要鼹密集数熬感云建立足侮据羚关系，以方便 意铝域翡确定，减夺毽索范鬣，撬高楚灌效率。本文采瘸，叉褥窒闻分警法来蜜蕊三 缵数魏点云豹窆阕划分。 八叉楗空阗分害l 在实钵a 褥建模、运动干涉中得裂了成功遮攥”，辩匿3 2 舞 示，八叉檄空间分割模型是用一个立方体序到魁爨一个麴嚣( 数擐云) 占握瓣窒潮。其 方法是蓠先构逖技测魏嚣的最，j 、夕 接燕方体，并视宅为八叉辩模型瓣棂维点，然爱恕 1 6 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 该最小外接正方体分割成大小相同的八个子立方体，每个子立方体均被视为根结点的 子结点，由此将造型空间递归细分为2 的幂次方个子立方体。八叉树空间分割规则： 如果子立方体内包含测点( 含被测曲面的一部分) 则该子立方体记为实结点( 图中用黑 结点表示) ；如果子立方体内不包含测点则该于立方体记为虚结点( 图中用白结点表 示) 。对实结点进一步分割测试，重复进行直到子立方体的边长小于等于给定分割精 度为止。在本文最小边长取8 m m 。 图3 2 八叉树空间分割模型与八叉树的建立 按上述原则将一个立方体分割为八个立方体，每个立方体用四个参数表示：x ，y ， z 和l ( 具有最小坐标值的顶点和边长l ) ，本文八叉树数据结构为： o t n o d e f l o a t l x ，l 弘l z ，l ； o t n o d e + p c h i l d n o d e 8 ； o t n o d e + p p a r e n t n o d e ； c p l i s t p n o d e p o i n t s ； c s t r i n gc o d e ； ) 对于一棵2 ”2 ”x 2 ”的八叉树空间进行划分后，利用图3 2 中的八进制编码，空 间中任一结点的位置可用一个八进制数唯一确定： q = q - 1 8 “一1 + g 。一2 8 ”一2 + - + g t 8 + + 9 1 8 + q 。8 0 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中，q 。 0 ，7 】，f 1 ，n 一1 1 ，q 。为八进制数码，表示该结点在兄弟结点 中的编号。这样，从q 。到g 。完整地表示出八叉树中的每个结点到根结点的路径。对 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 予图3 2 中的八叉树，实体缭熙的编码秀： o ，r7 ，7 7 ，7 7 4 ，7 7 7 。 立方体八叉树分割中的饭何一个结点所包含的予立方体只需记录其属性信息( 即 结点在八叉树中的结点编号) ，萁几何信息( 空间位援) 可根据结点在树中的位置( 结点 编号) 计算出来。即根据立方体在八又树中的结点编号，可计算出该予立方体的空间 位萋。嚣撵，攫摇子立方俸躺察闻位置，氇哥方便遗诗算塞予立方钵在，叉薅中懿结 点编号。 在究成了八叉树空间分割之后，三维散乱数据点都存放在八叉树的叶结点中。当 然，一个叶结点子立方体可能包含多个数据点。我们很容易根据于立方体结点的编号 确定出父结点和兄弟结点。 蓊已述投，若已知空间中酝豢点p 的坐标，鄹茸求褥穗痤静予立方傣结点编号， 禳据绥患编号及福邻子立方俸络点编号的递羟关系，由，叉树可迅速套列该子立方体 及其上下左右共2 7 个子立方体。点p 的m 邻域点可根据八叉树分屡快速追踪得到， 从而大大加快了点的查寻速殿，提高了搜索效率。 3 4 数据滤波技术研究 3 4 1 豳动滤波技术 在实物样件表面数据采黛过程中不可避免地引入测量噪声。为了得到较为精确的 模型和好豹特征提取效果，蠢必要对测量数据进行滤波。 在一般瓣数字售号楚毽中，数据滤波夔方法未黉有溪大类，一类楚窆霹蠛方法， 一类是频率域方法。主要的空闽域方法有邻域平均法、中值滤波、多次测量平均等， 主要的频率域方法为低通滤波。在逆向工程中，散乱测量数据之间缺乏明显的拓扑关 系，并且数据的分布空间是不均匀的，无法赢接遮用这些方法。 在逆向工程中，对于高密度“点云”，常采用程序自动判别滤波：秘藏通常采用 标准毫簸、n 点平均滤波、审壤滤波激及窦适应滤波法等方法。嘉鬏滤波在疆定壤内 的权重梵麓薪分布，其平均效鬃较小，敌在滤波时熊较好墙保持原有数据的形貌。平 均滤波采样点的值取滤波窗翻内各数据点的统计平均值。中值滤波采样点的值取滤波 窗口内各数据点的统计中值，这种滤波消除毛刺的效果好。自适应滤波通过预测误差 递推辨识与卡而曼滤波相结合，相对来讲较为灵涵。这几种方法借鉴了数字图像处理 中静壤念，褥繇获褥熬数撬患嫒为i m a g i n ed a t a ，攀涛数据点数z 壤童霉梵强臻中豫素 点的灰度壤浓对待，僵嗓音点帮特征点同为高频信号点，所以在滤波时存在着去除嗓 音点与保稃真实点的矛盾。因此，每种滤波法都威使阂值选取具有针对性、以防将工 1 8 硕士论文 逆向工程数据处理关键技术研究 件上的台阶点( 线) 作为噪音点去除。 10 t i 暑i m l( b ) p o h i 脯 d 日n 、从 。) p 触嗍吨 苁 h 斌 图3 3三种常用的滤波方法 对于扫描线数据，首先以测量精度作为距离阀值，将由于测量误操作产生的重测 点进行滤除，再通过对邻近三点所形成的夹角和距离来进行判断、滤除噪音点。 对于散乱数据，可以利用h a r d y 函数实现对“点云”数据的平滑滤波。h a r d y 函数 应用于散乱数据插值，它用多个二次曲面迭加构成复杂曲面，可表示为： z ( x ，y ) = c i ( x x 0 2 一( y y i ) 2 1 陀 ( 3 2 ) l ；l 其中x i ，y 前值点的x , y 坐标 c 。待定系数，将数据点坐标代入式( 3 2 ) 可得系数c 。 对于某数据点q ，其m 邻域点为n i ( i = o ，1 1 3 ，点到q 的