（机械制造及其自动化专业论文）汽车车身逆向工程关键技术的研究及应用.pdf

摘要 摘要 随着人们生活水平的提高，对汽车的需求多样性和个性化逐步加强，大批量定制 的生产方式逐步取代目前的大批量刚性的生产方式。这就要求汽车的关键部件( 车身) 的研发速度大大加快。汽车车身逆向工程技术可以快速响应市场的需求，并基于现有 技术层面上快速发展。我们国家在车身的开发方面与国外的先进国家还存在一定的差 距。因此，本论文就是在这样的背景下研究汽车车身的逆向工程设计的关键技术。 本论文根据国内外提出的曲线曲面理论算法，结合当前逆向工程软件和主流的正 向工程软件的优缺点，研究软件模块之间合理的搭配组合和较好的数据处理方法，为 更好更快地处理点云数据，建立车身的数字模型寻找出一种高效、简便、优质的逆向 工程设计流程理论与方法。本论文基于c a t i a 软件研究汽车车身的逆向工程设计中 的关键技术：三维点云数据的采集与处理、车身曲面特征的提取、曲面的构造与拼接、 曲面的光顺与评价等，并对上述的关键技术进行了详细的探索与分析，提出了自己的 处理理论与方法。 最后以汽车实验室的一辆切诺基吉普车的车身作为实例，应用本论文研究的理论 与方法进行验证，如汽车曲面光顺技术、汽车曲面光顺评价技术及车身数字曲面模型 重构技术等，构造出车身的数字模型。对车身外表面的连续性进行探讨，并对现有的 曲面光顺算法，进行分析、归纳和总结，最后对重构后的曲面进行检测和评价。实验 证明本论文所研究的理论与方法基本上切实有效。 关键词：车身；点云；逆向工程；曲面重构；曲面光顺 a b s t r a c t 一一一 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，d e m a n df o ra u t o m o t i v ed i v e r s i t ya n d i n d i v i d u a l i t yi sg r a d u a l l y e n h a n c et o d a y m a s sc u s t o m i z a t i o np r o d u c t i o ng r a d u a l l y r e p l a c e st h ec u r r e n tr i g i dm a s sp r o d u c t i o nm e t h o d s t h i sr e q u i r e st h a tt h ek e y a u t o m o t i v e p a r t s ( a u t o b o d y ) g r e a t l ya c c e l e r a t et h ep a c eo f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t a u t o - b o d y r e v e r s ee n g i n e e r i n gc a l lq u i c k l yr e s p o n dt om a r k e td e m a n d ，a n dr a p i dd e v e l o pb a s e do n e x i s t i n gt e c h n o l o g y t h e r ea r e s t i l ls o m eg a p si na u t o - b o d yb e t w e e no u rc o u n t r ya n d m v a n c e dc o u n t r i e s t h e r e f o r e ，t l l i sp a p e l i sr e s e a r c hr e v e r s ee n g i n e e r i n gd e s i g no fk e y t e c h n o l o g i e so l la u t o - b o d ya g a i n s ta b o v eb a c k g r o u n d t h ep a p e ra c c o r d i n gt od e m e s t i ca n da b r o a dt h e o r yo f c a l l v e sa n ds u r f a c e sa l g o r i t h m ， c o m b i n e dw i t ht h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n tr e v e r s ee n g l n e e n n g s o f t w a r e ，t os t u d yd a t a - p r o c e s s i n gm e t h o d so f s o f t w a r em o d u l ef o rd e a lw i t hp o i n tc l o u d d a t ab e t t e ra n df a s t e r t h ea i mo ft h ep a p e ri st r y i n gt of i n do u ta ne f f i c i e n t ，s i m p l ea n d t l i g h q u a l i t yr e v e r s ee n g i n e e r i n gd e s i g np r o c e s st h e o r ya n d m e t h o d s i nt h ep a p e r ，b a s e do n c a t i as o f t w a r er e v e r s ee n g i n e e r i n go ft h ea u t o m o b i l eb o d yd e s i g no fk e yt e c h n o l o g i e s ： 3 dp o i n tc l o u dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , e x t r a c t i o no fb o d ys u r f a c ef e a t u r e s ，s u r f a c e s t r u c t u r ea n ds t i t c h i n g , s m o o t h i n gt h es u r f a c ew i t ht h ee v a l u a t i o na n ds oo n ，a c c o r d i n g a b o v ek e yt e d ：l n o l o 西e st od e t a i le x p l o r a t i o na n da n a l y s i s ，a n dp u tf o r w a r do w n t h e o r i e s a n dm e t h o d st od e a lw i n la u t o b o d y a tl a s t ，t h ep a p e ra saj e e pc h e r o k e ef o re x a m p l et ov e r i f yt h et h e o r ya n dm e t h o d s ， s u c ha sa u t o m o b i l es u r f a c es m o o t h i n gt e c h n o l o g y , a u t o m o t i v et e c h n o l o g ya s s e s s m e n to f s u r f a c ef a i r i n ga n db o d y w o r kd i g i t a ls u r f a c em o d e lr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n ， a n dc o n s t r u c t ead i g i t a lm o d e lo ft h eb o d y i ti st oe x p l o r ec o n t i n u i t ya n dt h ee x i s t i n g s u r f a c es m o o t h i n ga l g o r i t h mt oa n a l y z e ，s u m m a r i z ea n ds u mu po nt h es u r f a c eo ft h ec a r , a n dt ot e s t i n ga n de v a l u a t i o nt h e $ u r f a c ea f t e rr e c o n s t r u c t e e x p e r i m e n ti sp r o v e dt h i s t h e s i so ft h et h e o r ya n dm e t h o db a s i c a l l ye f f e c t i v e k e yw o r d s ：a u t o s u r f a c e ；p o i n tc l o u d ；r e v e r s e e n g i n e e r i n g ；s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ； s u r f a c es m o o t h i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技 术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用 于学术活动。 学位论文作者签名：槲 髟瞬虚月彦侣 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 ( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签字) 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为汽车车身逆向工程关键技术的 研究及应用学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的 成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成 果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 作者签字：椭寸茅 矽缉陟月廖e t 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 进人2 0 世纪9 0 年代以来，汽车作为现代的一种交通运输工具，在国民经济、人 民生活中起着重要的作用。但是，在繁荣的背后中国汽车业依然脆弱，汽车产品的国 产化以至于更基本、更重要的自主开发汽车整车的能力和速度仍是制约我国汽车工业 发展的瓶颈。因此，尽快建立中国汽车工业的技术开发体系，形成自主开发产品的能 力，将关系到汽车工业发展的全局和长远规划。 汽车设计包括概念设计和工程设计，涉及汽车造型、色彩、空气动力学、人体工 程学、安全工程、人机系统、结构强度、仪器仪表、汽车操纵机构布置、各种材料的 性能、工艺学、经济成本、商业心理学等多学科领域。在汽车整体设计中，车身占整 车总成本的1 2 一1 3 ，其更新频度高，技术进步快，是汽车产品商品性的重要标志， 也是汽车开发的关键技术。因此，把拥有汽车车身的开发能力作为形成汽车自主开发 能力的突破口，具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 我国汽车工业九五规划纲要明确提出要以车身开发为突破口，形成我国汽车 自主开发能力，车身开发要达到国际9 0 年代先进水平。汽车车身占整车总成本的比 例约为1 3 ，甚至接近1 2 ；而且它又是汽车商品性的重要标志；汽车车身更新频率高， 技术进步快。因此，我们要把车身开发能力作为汽车自主开发能力的突破口 t ic 2 。 我国一汽、二汽在8 0 年代中期开始研究和应用车身设计上的c a d c a m 技术， 逆向工程也刚开始试用。我们应及时加强这些应用与研究，在这方面我们是可以跟上 国际先进水平的。其中，我们应进一步深入掌握a 级表面光顺技术，以及手工检测、 修改车身表面物理车身并重建光顺的数学车身( 即电子车身) 等技术与技能。在汽车车 身造型美学理论、人体工程学、空气动力学等研究试验和实践经验方面上，我国还有 较大差距。 建立中国汽车工业的技术开发体系，形成自主开发产品的能力，将关系到汽车工 业发展的全局和长远规划。由于市场上认可的国产汽车大多是不同程度引进的国外产 品，产品设计部门在车身设计方面的主要工作是对引进的技术与产品进行消化吸收， 转化完善，局部改型等。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高 第一章绪论 速度增长的战略措施，世界各国都在研究如何利用别国技术发展自己的技术。在没有 产品图样、技术文档、工艺流程等技术资料的情况下，逆向工程是在仅有产品原型或 实物车身的条件下掌握国外技术并结合现代设计开发技术提高自己的设计能力的途 径之一。 1 2 2 国外研究现状 通用汽车公司于2 0 世纪6 0 年代最早采用d a c 一1 系统来设计汽车前挡风玻璃的 型线。2 0 世纪7 0 年代，通用汽车公司的c a d a n c e 、f b x 等系统先后研制完成并进 入应用阶段。这一时期的特点是软件都是在企业内部开发，应用范围也局限于汽车外 形的处理口儿引。 日本在6 0 年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口， 四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。逆向工 程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 作为一项新的先进制造技术被提出是在上世纪八 十年代末至九十年代初。当时首先由美国汽车龙头一福特汽车公司倡导的汽车“2 毫 米工程”对传统的制造业提出了前所未有的挑战。它要求将质量控制从最终产品的检 验和检测，提前到产品的开发设计阶段。减小开发风险，降低开发成本，加快产品成 功开发的周期。九十年代初在世界范围内掀起了所谓“先进制造技术及设备”的研 究、开发热潮。 传统方法只有做出油泥车身后才能评价，而逆向工程可随时评价三维电子车身， 而且车身师、结构设计师、模具设计师可以早期介入造型工作；传统方法修改方案很 费时，采用逆向工程的方法进行修改反而很容易，适于做出多方案的优选。 国外大汽车公司和设计公司具备汽车车身创意和造型的能力，一个公司内就开发 过几十至几百种轿车车身，积累了几十年的轿车车身开发经验，并形成汽车制造企业 各自的品牌风格特征。 1 3 课题的研究意义 逆向工程是2 0 世纪9 0 年代国际汽车界兴起的一种汽车产品开发新方式。实施逆 向工程在提高我国自主开发车型能力方面有重要的意义，实施逆向工程能更好地实现 汽车产品设计的并行工程，使产品设计及其相关过程实行同步作业，并使之优化，提 高产品设计的一次成功率，从而大大缩短开发周期，降低成本，减少风险，提高质量， 增强企业竞争力。这对我国汽车界全力打造民族品牌、振兴我国汽车业来说，无疑有 非常重要的意义。当然，车身产品开发的具体手段是丰富的，不能否认其多样性，但 2 第一章绪论 逆向工程是车身开发中最有实用价值的一种高科技开发形式，它的发展前景是不可估 量的。 目前，我国在汽车设计制造方面距发达国家还有一定的差距，市场认可的国产轿 车大多是不同程度引进的国外产品。利用逆向工程的现代车身设计方法可以充分吸收 国外先进的设计制造成果，使我国的产品设计立足于更高的起点，同时加速某些产品 的国产化速度。如何在仅有产品原型或实物模型的条件下掌握国外技术并结合现代设 计开发技术提高自己的设计能力呢? 如何在借鉴国外先进成熟产品的基础上进行适 当和必要的改进以便快速高效的得到有自主知识产权的产品投放市场，对于节省费 用，缩短研发周期，提高竞争力和减少风险有着非常重要的意义。 1 4 本章小结 本章主要论述了国内外逆向工程在汽车车身方面的研究现状及背景。通过分析， 我国在中国汽车工业的技术开发体系及自主开发产品的能力与国外先进国家相比仍 还有较大差距，而逆向工程的应用关系到汽车工业发展的全局和长远规划，由此引出 了本文的研究意义。 3 第二章汽车车身的测量 2 1 引言 第二章汽车车身的测量 数据测量，又称产品表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法将物体的 表面形状转换成离散的几何点坐标数据陌引。根据测量所得到的数据就可以进行复杂 曲面的建模、评价、改进和制造。高效、高精度的实现样件表面的数据采集，是逆向 工程实现的基础和关键技术之一，也是逆向工程中最基本，最不可缺少的步骤。数据 获取在产品设计师与逆向工程及c a d c 舢w c a e r p c n c 之间扮演着桥梁的作用。 数据测量是逆向工程的基础，测得的数据的质量事关最终模型的质量，直接影响到整 个工程的效率和质量。实际应用中，常发生因模型表面数据获取的问题而影响重构模 型的精度。因此，如何取得较佳的物体表面数据，一直是逆向工程的一个主要研究内 容。 2 2 数据采集方法 目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。 不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类 型及后续处理方式的不同。 图2 1 数据提取方法分类 根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基 本上可以分为两大类，即接触式与非接触式。根据测头的不同，接触式又可分为触发 式和连续式；非接触式根据原理不同，又可分为光学式和分非光学式。其中光学式包 4 第二章汽车车身的测量 括三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等：而非光学式则 包括c t 测量法、m 刚测量法、超声波法和层析法等n 儿8 1 。各种测量方法的具体分类 如图2 1 所示。另外，随着工业c t 技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程取得了 应用。 2 2 1 接触式数据采集 接触式测量一般采用三坐标测量仪，沿着样件截面线进行测量，将复杂的三维曲 面测量转化为二维测量，按曲面曲率的变化不均匀的布点。接触式数据采集方法包括 使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等同m 。 ( 1 ) 触发式数据采集方法 触发式数据采集采用触发探头，当探头的探针接触到样件的表面时，由于探针尖 受力变形触发采样中的开关，这样通过数据采集系统记下探针尖( 测球中心点) 的当时 坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。在触发式数据采集过程中， 由于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针 需要法向退出以避免过量而折断，因此数据采集速度较低。 ( 2 ) 连续式数据采集方法 连续式数据采集采用模拟量开关采样头，由于数据采集过程是连续进行的，速度 比点接触触发式采样头快许多倍，采样精度也较高。此外，由于接触力较小，允许用 小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制造的模型。由于采样速度快，连续 式数据采集可以用来采集大规模的数据。 ( 3 ) 磁场法 该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面上运动， 通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数字化，其 优点是不需要像坐标测量机一类的设备但不适宜于导磁的样件。 1 接触式测量有以下优点： ( 1 ) 接触式探头发展已经有几十年，其机械结构及电子系统已经相当成熟，有较 高的准确性和可靠性。 ( 2 ) 接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率 关系不大。 ( 3 ) 被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确的测量出物 体的基本几何形状，迅速建立起被测物体的三维模型。如面、圆圆柱、圆锥、圆球等。 2 接触式测量有以下缺点： 5 第二章汽下车身的测量 ( 1 ) 为确定测量基准点而使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用，不同形状的 产品会要求不同的夹具，而使成本大幅度增加。 ( 2 ) 球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，所以，为维持一定的精度需要校正 探头的直径。 ( 3 ) 不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏。 ( 4 ) 接触式探头是以逐点的方式进行测量的，所以测量速度慢。 ( 5 ) 检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发探头的直径必定要 小于被测内圆直径。 ( 6 ) 对三维曲面的测量，因传统接触式触发探头是感应元件，测得的数据是探头 的球心位置，要测得物体真实外形，则需要对探头半径进行补偿，因此可能会导致误 差修正的问题。 ( 7 ) 接触探头在测量时，探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变 形，而影响测量值的实际读数。 ( 8 ) 测量系统的支撑结构存在静态及动态的误差。 ( 9 ) 由于探头触发机构的惯性及时间延迟，使探头产生超越现象，趋近速度会产 生动态误差。 ( 1 0 ) 测量接触力量即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因为接触面积 与工件表面纹路的几何形状有关，不能保证为一样。 2 2 2 非接触式数据采集 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 式扫描测量n 砌。 非接触式测量设备是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象，如声、光、 电磁等，来获取物体表面的三维坐标信息。其中，以应用光学原理发展起来的测量方 法应用最为广泛如激光三角法、结构光法等。由于其测量迅速，且不与工件接触，因 而对于质地柔软的零件也能测量等优点，越来越受到人们的重视。 非接触式测量方法主要有以下几种： ( 1 ) 激光三角法 激光三角法是根据光学三角形测量原理，利用光源和光敏元件之间的位置和角度 关系来计算零件表面点的坐标数据。其基本原理是：利用具有规则几何形状的激光投 影到被测量表面上，形成的漫反射光点的像被安置于某一空间位置的图像传感器吸 收，根据光点( 光带) 在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间 6 第二苹汽下下身的测量 的关系，按三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。 ( 2 ) 结构光法 把一定模式的光源( 如光栅) 投影到被测件表面，受被测物体表面高度的限制，光 栅影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度的图像，通过解调变形光栅影线，就可 以得到被测表面的整幅图像上像素的三维坐标。它的优点是测量范围大、稳定、速度 快、成本低、设备携带方便、受环境影响小、易于操作。缺点是精度较低，而且只能 测量表面曲率变化不大的、较平坦的物体。 ( 3 ) 工业c t 法 工业c t 法是一种射线成像检验技术，它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，用数学方法经过电子计算机处理而重建断层截面图像，根据不 同位置的断层图像可建立物体的三维信息。c t 测量法可以在不破坏零件的情况下， 准确地对物体的内部形状、壁厚，尤其是内部结构进行测量，这是其他测量方式所难 以做到的，而且对零件的材料没有限制。但是，c t 法存在着测量系统的空间分辨率 低，获取数据时间长、重建图像计算量大、设备造价高的缺点。 ( 4 ) 核磁共振法( m r i ) 核磁共振法基本原理是用磁场来标定物体某层面的空间位置，然后用射频脉冲序 列照射，当被激发的核在动态过程中自动到静态场的平衡时，把吸收的能量发射出来， 然后利用线圈来检测这种信号，信号输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。 它的不足之处在于造价极为昂贵，空间分辨率不及c t ，且目前对非生物材料不适用， 一般只适用于医学三维测量。 ( 5 ) 超声波法 超声波法是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质边界表面会发 生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔，计算出各面到零点距离的方法。 这种方法结构较为简单，但测速较慢，而且测量易受物体材料及表面特性的影响，精 度也较低。这种方法与工业i c t 、核磁共振m r i 相比，设备简单，成本较低，但测 量速度较慢，且测量精度不稳定，目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。 ( 6 ) 层析法 层析法是一种直接从样件到模型的实用、可靠的方法，它在美国首先研制成功， 用于测量物体截面轮廓的几何尺寸。层析法可对有孔及内膛的物体进行测量，测量精 度高，得到完整的数据，不足之处是这种测量是破坏性的。在国内，海信技术中心工 业设计所和西安交通大学合作，研制成功具有国际领先水平的层析式三维数字化测量 机。在国外，美国c g i 公司已生产出层析扫描测量仪。 1 与接触式测量相比非接触式，非接触式测量主要有以下优点： 7 第二苹汽下下身的测量 ( 1 ) 不必作探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置； ( 2 ) 测量速度非常快，不必象接触触发探头那样逐点进行测量； ( 3 ) 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 2 非接触式测量的主要缺点如下： ( 1 ) 测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探测g 2 p s d ( p o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r ) 来检测光点位置，目前的p s d 的精度仍然不够，约为2 0 p m 以上； ( 2 ) 因非接触式探头大多是接受工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反 射特性的影响，如颜色、斜率等，从而导致测量精度误差，产生大量不规则的散乱点； p s d 易受环境光线及散杂光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难； ( 3 ) 非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及 不连续形状的处理较为困难； ( 4 ) 工件表面粗糙度会影响测量结果。 由于汽车车身面积大，数据量大，对数据的精度要求高，对比上述接触式与非接 触式扫描仪的优缺点，经综合考虑，本次实验采用北京天远三维科技有限公司生产的 非接触式光学三维扫描仪，该扫描仪可以在l m i n 内完成一幅包括4 3 0 ，0 0 0 个像素点 的测量，精度可达0 0 3m n l 。 该系统具有如下优良特性： ( 1 ) 扫描精度高、数据量大，在光学扫描过程中产生极高密度数据； ( 2 ) 速度快，单面扫描时间小于5 秒； ( 3 ) 非接触式扫描，适合任何类型的物体，除可以覆盖接触式扫描的适用范围之 外，可以用于对柔软、易碎物体的扫描以及难于接触或不允许接触扫描的场合； ( 4 ) 测量过程中可实时显示摄像机拍摄的图像和得到的三维数据结果，具有良好 的软件界面； ( 5 ) 测量结果可输出a s c 点云文件格式，与相关软件配合，可得到s t l , i g e s ，o b j ，d x f 等各种数据格式； ( 6 ) 使用方便，操作简单，对操作人员要求较低。 由此可见，选用该非接触式光学三维扫描仪完全能满足实验需求。 2 3 车身测量流程 在正式测量之前，需要做一些测量前的必要准备，下面从硬件准备和软件准备方 面分别进行介绍。 第二章汽乍车身的测蠡t 2 3 1 车身测量硬件准备 系统框圈如图2 2 所示。 跚2 2 系统组成框酗 ( 1 ) 计算机，c p u 要求i n t c lp c n t i u m8 0 0 以上内存1 2 8 m 以上 屁卡显存要求8 m 以上，且支持双显示器输出； 用于控制系统的操作数据处理及结果显示： ( 2 ) 光栅发射辨，用于投射光栅； ( 3 ) c c d 摄像机掰架用于拍摄罔像： ( 4 ) 1 3 9 4 卡及线缆，c c d 与计算机的连接： ( 5 ) 标定块，用于系统定标； ( 6 ) 标记点，用于标记点拼接。 2 3 2 车身测量软件准备 1 天远三维扫描软件3 d s c a nv 40 3 d s c a nv 4 0s e t t i n g s 圈z 3 天远三维扫描软件3 d s c a a v 4 0 安装界面 第一二章汽乍下身的渊骷 图2 4 软件界面 标题栏：本系统名称和当前活动窗口； 菜单栏：包括所有的操作选项： 工具栏：提供了操作的快捷方式： 本软件的扫描界面有三个视窗： ( 1 ) “光栅”窗u 由光栅发射器投射在视场范围内； ( 2 ) 左c c d 相机拍摄到的图像场景为“l e f l s c e n ex ”； ( 3 ) 右c c d 相机拍摄到的图像场景为“r i 曲t s c e n e x ”。当选择保存左，右场景的 前图像时，会出现相应的视图“l e l 眦n a g c x ”t r i 曲m a g e x ”。 2 操作系统：m i c r o s o f t w i n d o w s x p 2 3 3 车身测量流程 如图2 5 所示为车身测量过程示意图。 第二章汽车车身的测量 汽车车身模型三维扫描仪的标定 0 建立恚框架涪洗 0 坐标调整及固定三维扫描仪面扫描 上 喷涂反光剂 l 点云数据颢处理( 坏 上 陋坠等趔生 帖标记点 标志点拼接 完整点云生成 图2 5 测量过程示意图 1 坐标调整及固定 在正式测量开始前，我们应当注意以下的一些细节： ( 1 ) 要保证外界光线稳定，还要注意电风扇和穿堂风的影响； ( 2 ) 汽车的位置固定好后再进行扫描，并且在扫描的全过程中不得移动他们，否 则支点的移动将带来被测物体数据的形变，影响测量数据的准确性； ( 3 ) 对于玻璃类和反光性极强的表面必须进行白色亚光处理； ( 4 ) 对于大的光顺表面要贴磁性数码标记点。 系统每次调整后或长途运输或使用过程中严重震动等，都需要重新定标，以保证 设备的精度。 2 喷涂反光剂 由于车体过大，测量整体车身太过困难也没有必要，因此本实验时只喷涂测量一 半的车体。 3 贴标记点 由于汽车车身面积较大，不能一次测量完全部数据，可通过贴标记点，利用标记 点拼接方式完成，贴标记点时要注意以下几个问题： ( 1 ) 标记点要贴在物体上平面区域； ( 2 ) 标记点不要贴在一条直线上； ( 3 ) 每相邻两次之间的公共标记点至少为4 个，由于图像质量、拍摄角度等多方 面原因，有些标记点不能正确识别，因而建议用尽可能多的标记点，一般6 8 个即 可。 4 三维扫描仪的定标 第二章汽车车身的测量 三维扫描仪定标是通过拍摄标定块在不同位置的图像来实现对系统的标定的。本 系统采用平面标定块，为了能测量空间三维物体，标定块应该放置在不同的位置，尽 量充满待测物体的每次扫描区域可能占据的空日j 。 5 建立拼接框架 汽车车身面积较大，由于积累误差使最后的测量误差偏大，为了控制整体误差， 测量汽车车身时先建立框架再进行标记点拼接测量。这里我们先根据标记点先建立一 个拼接框架，这样我们能提高汽车整车点云扫描时的精度。 建立好的汽车车身框架如图2 6 所示。 图2 6 汽车车身的整个框架 6 三维扫描仪面扫描 选择菜单“扫描一“标记点拼接”或点击图标嚣，系统将在物体上投射一系列 光，在左右摄像机视场中会有实时显示。 7 标记点拼接 标记点拼接扫描是利用两次拍摄之间的公共标记点信息来对实现两次拍摄的数 据的拼接。使用标记点前，要对待测物体进行分析，在合适的位置上贴上标记点，通 过多次的扫描及拼接得到需要的数据。 8 完整点云生成，如图27 所示 第：章汽乍乍身的测龋 2 4 本章小结 幽27 完整汽午乍身的点云 高效、高精度的实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之 一，也是逆向工程中最基本，最不可缺少的步骤。本章介绍了汽车车身的数据采集方 法，根据测量探头是否和零件表面接触，逆i 工程中物体表面三维数据的获取方法基 本上可以分为两大类，即接触式与非接触式。本实验采用的是非接触式扫描，并着重 介绍车身测量的详细流程。 第三章汽车车身三维点云的预处理 第三章汽车车身三维点云的预处理 3 1 引言 随着数据测量技术的发展，测量速度有了很大的提高( 一些测量机可以在几秒钟 内测量几十万个数据点) ，测量数据中包含了更多的实测物体的信息，但是庞大的点 云数据对后续处理以及存储、显示、传送等都带来了不便，处理时占用大量计算机资 源以及花费大量时间。如果直接对点云进行造型处理，大量的数据进行存储和处理也 成了不可突破的瓶颈，从数据点生成模型表面要花很长一段时间，整个过程也会变得 难以控制。在实际的逆向操作中，不是所有的点都可以用于曲线曲面重构的，过多的 点云数据反而可能会影响曲面的光顺性。所以对测量的海量数据进行预处理是十分必 要的。 3 2 点云数据分类 通常将三维坐标测量所获得的三维空间的点集称为点云( p o i n t c l o u d ) 。最小的点 云只包含一个点，高密度点云可达几百万数据点。为了能有效处理各种形式的点云， 根据点云的分布特征( 如排列方式、密度等) 将点云分为n u ： 。：o o ；二， j 誊萼簧豫 誊澎警鼍拳纛； ：；：；：鼍：i 0 i 鬻毫誊誊亨 ：一二，二r ：、一：一 ? ! j j ? j ：? 。o 分 - - 。) ， 厂 1 ( d 兰角化点云 图3 1 四种不同类型的数据点云 1 散乱点云 散乱的点云没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态。多为c m m 在随机测量 方式下或激光测量机多次测量所得数据。如图3 1 ( a ) 所示。 2 扫描线点云 1 4 第二章汽车车身三维点云的预处理 扫描线点云由组扫描线组成，扫描线上所有的点位于扫描平面内。多为c m m 、 激光点三角测量系统沿直线扫描的测量数据和线结构光扫描测量所得数据。如围 3 1 ( b ) 所示。 3 网格化点云 网格化点云中所有的点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应。多为将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网格化插值后所得数 据。如图3l ( c ) 所示。 4 三角化点云 三角化点云的测量点分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平面内距离最小 的若干相邻点依次连接可形成一组有嵌套的平面多边形，测量点分别为几个三角形的 顶点。多为激光扫描系统测量后经过三角化后所得的数据。如图3i ( d ) 所示。 本次实验所得到的点云属于第一种，即散乱点云，如图3 , 2 所示。 3 3 点云预处理流程 圈3 , 2 汽车车身散乱点云 测量数据预处理是逆向工程c a d 建模中的关键环节之一。它的结果将直接影响 后期车身重构的质量。 目前，非接触式测量方法在工业界得到越来越广泛的应用，这种测量方法测得的 数据非常庞大，并常常带有许多的杂点、噪声点，影响后续的曲线、曲面重构过程。 因此，需在曲面重构前，对点云进行一些必要的处理，以获得满意的数据，为曲面重 构过程做好准各，即点云预处理。数据预处理的任务就是对获取的测量数据进行相应 的处理，以满足其对数据质量、数据拓扑结构的不同要求。 点云预处理流程包括读入点云数据、坐标变换、可视化检查点云、误差点的识别 和剔除、点云光顺和滤波、点云精简等七个部分，如图3 3 所示。 第三章汽车车身二维点云的预处理 3 3 1 坐标变换 _ 丽晤磊垢 二一厂- 二 l 坐标矍垫 i “1 。一 。1 1 。1 。j 互磊一吐 图3 3 点云预处理流程 由于测量系统所获取的坐标点是在测量坐标系中的坐标值，当物体偏离测量系统 原点较远距离时，其获得数据的某些坐标值很大，这给后续的曲线曲面建构带来一定 难度。为了直观方便地进行数据处理，通常希望“点云 数据是对应于原始坐标系的 值，这就涉及到测量坐标系与原始坐标系的坐标变换问题。关键是指定原始坐标系， 通常采用“3 2 1 ”法指定原始坐标系，即先交互式选取三点，将这三点确定的面作为 原始坐标系的x o y 面，在面内选两点( 可以是插值法) ，这两点的连线作为x 轴，再在 面内选一点，该点与轴的垂线作为y 轴，垂足为坐标原点。过坐标原点且垂直于x o y 面的直线即为z 轴，z 轴正方向为物面坐标原点o 的法方向。在指定了原始坐标系后， 通过一系列的坐标组合变换就能把被测物体上点的测量坐标转换为原始坐标n 引。 设己知坐标系a x ，y ，z ) 和坐标系曰 x ，y ，z ) 的单位正交坐标矢量为 矿= ( x ，y ，z ) 和i v = ( x * 9 】，z ) ，坐标原点分别为d ( ：c o ，艺，z o ) 和d ( ：c o ，l ：，乏) 。分别定 义与坐标系a x ，y ，z ) 和坐标系曰 x ，y ，z ) 相联系的测量数据片s 和s 上点为 ，g 。固定坐标系b ，将a x ，y ，z ) 变换到与坐标系曰 x ，y ，z ) 完全重合，首先要将 a 的原点d 平移至d 处，使两坐标原点完全重合，然后绕d 点旋转a 的坐标轴，使其 与b 的坐标轴重合吕o - - f 。对只进行相同变换过程，即实现了数据片s ，s 的坐标的归一。 此过程可以表达式为： 咒= s r 。，一般取萨1 r p = 玛耳，其中为坐标平移矩阵，耳= 如疋为坐标旋转变换矩阵。 1 6 第三章汽车车身三维点云的预处理 蜀= = 10 ol o o o o c o s p o s i n6 o 0 而一x o 0 成- y o 1 z ：一z o 0l 1 - s i n f l0 1o0 0 c o s p 0 o0l fc o s y - s i n7 0 0 戤= ls 专7c 譬厂：三 1 00 01 r1 0 00 10c o s 口- s i n 口0 及2 ios i n 口c 0 s 口o 【00 01 ( 3 1 ) 坐标变换是图形处理技术中一个重要基本。坐标变换的理论依据是计算机图形 学，其中主要涉及的是矩阵变换，包括矩阵的求逆、矩阵的相乘等。坐标变换处理技 术为随后数据的对齐拼合和曲面重构提供了极大的方便。 3 3 2 误差点识别和去噪 非接触式激光扫描仪能得到非常密集的点云，但并不是所有的数据点都能用于自 由曲面的造型，特别是一些杂点和噪声点。因此，在自由曲面造型前必须作相应的处 理。产生噪声点的因素是多方面的，主要可以分为两类：一类是被测对象表面因素产 生的误差，譬如表面误差、波纹等缺陷；另一类是由测量系统本身引起的误差，譬如 测量设备的精度、c c d 摄像机的分辨率、振动等。在这里，测量得到的一系列被测 对象的空间坐标值用数学表示为点集 4 = 厂( ，y i ，乞) ，y i ，刁e 3 。厂( 五，咒，弓) 一 般有被测量对象的数值g ( 五，乃，毛) 和测量误差组成办( 玉，儿，z j ) 。其中，g ( 五，只，乃) 有 两部分组成：确定性分量9 9 ( 五，咒，弓) 和随机性分量9 5 ( 而，y i ，刁) 。测量误差j j l ( 五，y i ，弓) 可分为系统测量误差口( 一，m ，乃) 和随机性误差( 而，m ，毛) n 引。所以可以得到测量点 的数学表达式： ( 薯，咒，毛) = g ( 玉，乃，乞) + j i l ( 五，m ，刁) = 9 9 ( 薯，m ，刁) + 9 5 ( 五，乃，弓) + 口( 五，儿，乞) + ( 薯，乃，刁) ( 3 2 ) 式中，g 。( 薯，奶，z i ) 表示被测曲面的理想数值；g ( 毛，y i ，乙) 表示被测曲面由于存 在表面粗糙度、波纹以及其它一些表面缺陷，而产生的与曲面理想数值的偏差； 口( 薯，咒，毛) 表示由测量系统本身产生的确定性误差，这个确定性误差具有一定的规 律；( 五，乃，毛) 表示由于激光光刀散斑、测量系统的电噪声、热噪声等因素引起的随 机测量误差。 在自由曲面造型中，希望能最大限度的消除误差因素的影响，使( 五，乃，z f ) 更趋 近于9 4 ( 而，咒，刁) 。式中9 3 ( 薯，咒，乞) 和( 玉，乃，弓) 可看作是随机函数，一般具有较宽 1 7 第三苹汽车车身三维点云的预处理 的频带和较高的频率，反映为测量数据中的毛刺。这种随机误差可以用滤波等方法部 分消除，而与曲面变化频率相差不大的随机分量是较难剔除的。对于口( 毛，咒，毛) 的消 除，通常采用标定的方法将其基本消除。本论文主要讨论由随机误差9 5 ( 而，咒，毛) 和 ( 五，乃，刁) 随机误差产生的噪音点的剔除方法。 在非接触三维扫描测量过程中，受测量方式、被测物体材料性质、外界干扰等因 素的影响，不可避免会产生误差很大的点( 噪声点) 和失真点( 跳点) 。因此在数据处理 的第一步，就应除去那些误差大的噪声点和可能存在的失真点，通常有下面三种方法。 1 直观检查法 通过图形图像系统，直接用肉眼将与截面数据点集偏离较大的点，或存在于屏幕 上的孤点剔除。这种方法多用于数据的初步检查，可一幕了然地从点云中人工筛选出 一些比较大的异常点。 2 曲线检查法 通过截面线上的若干数据点，通过最小二乘法拟合一条样条曲线，曲线的阶次可 根据曲面截面的形状决定，通常为3 - 4 阶，然后分别计算中间数据点到样条曲线的 距离i l e | l 如果i l e 忙 s 】( s 为给定的允差) ，则认为层是坏点，需要剔除，如图3 4 所示。 图3 4 曲线检查法剔除噪声点 3 弦高差方法 连接被检查数据集合的前后两点，计算层到弦的距离忙i i ，如果i l e l l - 占】( 【占】为 给定的允差) ，则认为只是坏点，需要剔除。依此类推可以对整个点云的数据进行快 速过滤处理，既保持了形状又大大减少了数据的容量。采用这种方法进行过滤时，应 先判断相邻两点的跨度是否超过了规定值。若超过了规定值，则不进行弦高过滤，三 个点都保留。此方法又被称为曲率过滤法。如图3 5 所示。 j f k 图3