（电机与电器专业论文）三维激光扫描数据处理技术的研究.pdf

壁堡堡王奎兰堡兰堂垡堡塞 _ _ 一一 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n d i n f o r m a t i o n t e c h i l 0 1 0 9 y ，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 yh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u s f i e l d s v 撕o u sa s p e c t so fr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，s u c ha ss u r f a c ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，d a t e p r o c e s s i o nt e c h n i q u e s ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n a r et h ec u r r e n th o t s p o t t h er e v e r s e e n g i n e e r i n gc o n s i s t so fd a t aa c q u i r e m e n t ，d a t ap r e - p r o c e s s i n ga n dr e c o n s t r u c t i o n d a t aa c q u i r e m e n tc a no b t a i nt h ec o o r d i n a t e so ft h ed i s c r e t ep o i n t sb yt h ef i x e d m e a s l l r i n ge q u i p m e n ta n dm e t h o d s d a t ap r e - p r o c e s s i n gi n c l u d e st r a n s f o r m a t i o no f d a t af o r m a t , d a t as p l i c i n g ，d a t as m o o t h i n ga n dd a t ac r a c k i n g t h ep r o c e s sd e c i d e s 、7 v h e t h e rt h ef o l l o w i n gc a dm o d e lr e c o n s t r u c t i o np r o c e s s i sc o n v e n i e n t ，a n dw h e t h e r t h er e c o n s 缸u c t i o nm o d e lm e e t s t h e a p p l i c a t i o n n e e d t h eg o a lo fs u r f a c e r c h c o n s t i u c t i o ni st 0s e e ks o m em a t h e m a t i c sd e s c r i p t i o nf o r m ，w h i c hs a t i s f i e st h eg i v e n p f e c i s i o n , e f f e c t i v e l yd e s c r i b e st h es h a p eo fp h y s i c a ls u r f a c e , a n dc a r r i e s o nt h e a n a l y s i s t h ec o m p u t a t i o n ，t h er e v i s i o na n dt h er e n d e r i n go f t h es u r f a c ei t s e l fi nt h i s f o u n d a t i o n t h i sp a p e rc o m e sf r o mp r o j e c to f p r e c i s i o ne n g i n e e r i n g a n di n d u s t r i a l m e a s u r 伽a l tk e yl a b o r a t o r yo ft h en a t i o n a lm a p p i n ga g e n c yf u n d ”a n di t d i s c u s s e so fd a t ap r o c e s s i n ga n ds u r f a c ef i t t i n gt e c h n i q u e sb a s e do nt h er e a l3 d l a s e r s c a n n i n gp o i n tc l o u dd a t a t h ep a p e r sm a i n t a s k si n c l u d et h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s ： f i r s to fa l l ，c o m p u t i n gc l o u dc u r v a t u r ea n dc o m p r e s s e d3 dl a s e rs c a n n i n gd a t ao n m a t l a bs o f t w a r ep l a t f o r m a n dt h e nc o m p l e t e s u r f a c em o d e l i n ga n ds u r f a c e r e c o n s t r u c t i o no ni m a g e w a r es o f t w a r ep l a t f o r ms u r f a c e ( 1 ) t h ep a p e rp r e s e n t s ab a s e do np o i n tc l o u dd a t a sc u r v a t u r ec o m p r e s s i o n a l g o r i t h m a n du s er e a lr a wt u n n e l sp o i n tc l o u da sh a n d l eo b j e c t s ，c o m p r e s s e so n m a t l a bs o r w a r ep l a t f o r m ，a n dv i s u a ld i s p l a yc o m p r e s s e dd a t ab e f o r ea n da f t e rt h e p o i n tc l o u d o ns o f t w a r ep l a t f o r mi ni m a g e w a r e ，c o n t r a s tc o i m p r e s s l o n ( 2 ) i tf o c u s e so nt h ec o m m e r c i a ls o f h a r ei m a g e w a r e sm a i n m o d u l e sa n dd a t a p r o c e s s i n gf e a t u r e s ，w h i c h u s et op r o c e s sp o i n tc l o u dd a t a , ( 3 ) t h ep a p e rd e t a i l e d3 dl a s e rs c a n n i n gp o i n tc l o u dd a t a sr o b u s ta n dw a v e l e t t h r es _ h o l dd e n o i s i n ga l g o r i t h m ，t h er e g i o n a l f o c u so fp e a kc o m p r e s s i o na n d c o m p r e s s i o na l g o r i t h m ，a n dt h eb e z i e r a n dn u r b ss t l r f a c ef i t t i n gm e t h o d e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h e s i sb a s e do nt h ec u r v a t u r eo ft h ep o i n tc l o u d d a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h m ，t h er e a lp o i n tc l o u dc o m p r e s s i o nc a na c h i e v e7 5 o r i i 武汉理工大学硕十学位论文 e v e nh i g h e rc o m p r e s s i o nr a t i o a n dv i s u a ld i s p l a yt h r o u g hi m a g e w a r es h o wt h a tt h e a l g o r i t h mi na c c e s st oh i g h e rc o m p r e s s i o nt h a nt h es a m et i m e ，r a wd a t ai sd e s c r i b e di n t h r e e - d i m e n s i o n a ls h a p e sb e t t e rf i d e l i t y i ts h o wt h a tt h e3 dp o i n tc l o u dp r o c e s s i n g m e t h o di nt h ep a p e rh a v eac e r t a i ns i g n i f i c a n tf o rf u t u r e k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n i n g ；p o i n tc l o u dc o m p r e s s i o n ；s u r f a c e m o d e l i n g ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 样日期卅、夕 武汉理工大学硕上学位论文 1 1选题背景和意义 第1 章绪论 数据可视化是关于数据的视觉表现形式的研究，是国外发达国家上世纪8 0 年代末提出并投入研究的一项新兴研究领域。由于现在很多信息源产生的信息数 据量都很大，而且人们难以直观的理解，对这些数据进行有效分析的难度也很大， 这就严重的阻碍了科学研究的发展，于是科学可视化技术应运而生。 可视化技术运用数字图像处理技术和计算机视觉技术，将人们使用各种仪器 测量的数据处理，转换成人们能够直观、形象地理解的图像信息，帮助人们寻找 数据中潜在的各种有用信息，使人们能够对获得的数据进行深刻、全面的理解。 目前，随着科学技术的发展，在网络和信息化已成为时代发展主流载体的情况下， 可视化的在实际工程中的应用也越来越多。 可视化技术研究旨在借助图像的表现手段，清晰明了的传达信息。把生硬的 数据转换成形象、直观的图像，给予人们对科学意想不到的洞察力，帮助研究人 员解决多年以来停步不前的科研难题【1 l 。数字可视化技术与计算机图形学、计算 机视觉、信息处理技术紧密联系。自从科学数字可视化技术作为一门独立的科学 确定以后，它的发展就得到了科学界的广泛关注，科学家在各个学科都作出了对 可视化技术的尝试，并且得到了令人欣喜的研究成果。现在数据可视化技术己广 泛地应用到各种基础学科和工程应用学科的研究中。 三维数据可视化技术的研究一直是可视化技术的重点。它是描绘和理解数据 模型的一种手段，它在医学、地理等方面有着广泛的应用，可用来理解和描述地 面以及地下的地质特征，以及人体表面和内部的结构等。它处理的数据可以是计 算机科学计算的结果，亦可以是仪器测量的数据。 三维信息的获取和处理技术在很大领域都有重要的应用，是随现代信息科学 技术的发展和应用应运而生的。国防技术、工业应用、医学影像等多个行业对它 的需求也日趋迫切。三维信息获取与处理技术集合了机械、电子信息科学、光学 及计算机等多个学科的最新成就，是一门综合性的新兴技术。三维信息的数字化 将真实世界里的立体信息转换为数字信号，以便计算机可以直接处理，通过对这 些三维数字信号的处理来恢复或重建物体的数字模型。最近，随着计算机、图像 设备、机电光一体化等技术的发展，三维信息获取设备越来越智能化，从接触测 量到非接触测量，速度越来越快，精度越来越高，获取信息的范围也越来越大。 人们能够快速、方便、高精度地对宽场景、大物体进行测量，获取三维数据信息。 而人们希望在这一领域突破更大，面临的问题就是如何处理这些庞大的三维数 据。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2三维激光扫描技术的应用 三维激光扫描能够快速、准确地获取物体表面的三维数据信息，不同于传统 的测量技术，它可以实现无接触测量，还可以对柔性、形状复杂、曲面不规则的 物体进行快速、高精度扫描，且还原性好。三维激光扫描技术的这些特点使得它 被广泛地应用到许多领域中。计算机视觉与图像处理技术结合应用，使得三维信 息获取技术在各个领域都有着广阔的前景：如工业应用、国防建设、娱乐、医学 影像、文物还原与保护、建筑设计等。因为不同领域对可视化数据的采集方式、 格式和组织形式等的要求各不相同，那么，对这些数据的处理技术和处理要求也 不尽相同。下面从几个不同的应用领域介绍当前国内外在这一技术上比较著名的 研究成果。 ( 1 ) 数字化虚拟人体【2 l 上个世纪8 0 年代末期，美国国家医学图书馆就提出了“可视化人体计划”这 一项目，随后委托科罗拉多大学的健康科学中心一同研究，希望可以通过核磁共 振和二维c 捆像等方法，得到人体连续横断面图像，以获得一套正确的人体数 据结构，这项研究一度在国际上引起很大的反响。1 9 9 9 年，我国中国第三军医大 学也开始了可视化人体的相关研究，并在三年时间内完成了首例人体数字化得的 信息采集和处理工作，进而，我国成为世界第三个拥有完整地可视化人体信息库 的国家。科学家在这一领域所作出的努力研究，其成果必将推动医疗技术、医学 教育、研究各方面的全面发展，并且可以为仿生学等领域提供工作借鉴和新的研 究方向【3 】o ( 2 ) 数字米开朗基罗计划【4 】 计算机网络、通信技术等的发展，给现代文物保护工作提供了新的途径。三 维激光扫描仪可以在不损伤文物的情况下，扫描文物并得到高精确度的表面特征 信息，如文物的外形尺寸、纹理和颜色等。而且三维扫描仪所记录的这些信息都 是计算机可以直接处理的信息，方便复制、保存、传输、再现、交流和查阅，完 整全面，研究人员可以千里之外不接触物体的情况下对其进行直观研究。这项技 术给文物复制的发展提供了很大的便利。目前，很多发达国家己经将这一技术应 用于文物保护工作，美国斯坦福大学提出了“数字米开朗基罗”这一项目【4 】，并 已开始研究，目的是将文艺复兴时期著名艺术家米开朗基罗的作品数字化。用三 维激光扫描仪扫描得到他雕塑作品的三维信息，然后在计算机里对这些数据信息 加以处理，并实现三维表面重建，以复原它原来的模样，这样可以更好地保护世 界文化遗产。国际上也称这样的技术为“文物的第二次保护”。 ( 3 ) 逆向工程技术 三维激光扫描技术在逆向工程中的应用也很广泛。这是因为三维激光识别系 2 武汉理工人学硕上学位论文 统具有可以获得物体的基本数据信息、处理数据、建立可以理解、计算、分析、 修改、编辑的三维数字模型等优点。逆向工程是根据已有的东西和结果，通过分 析来推导出具体的实现方法。是信息数字化大趋势下的项重要的新型研究技 术。传统的产品制造流程是先有设计图纸再生产产品，而逆向工程则是先利用电 子仪器去收集得到物体表面的原始数据【s l ，再使用软件，计算采集数据的空间坐 标，并得到对应的颜色。然后再对这些测量数据，以一定的方式完成产品的三维 数字模型，然后用合适的软件平台来完成产品的设计制作。逆向工程技术可以分 为实物逆向、软件逆向、影像逆向3 类。 逆向工程可以缩短产品开发周期，因为正向设计是一个“从无到有 的过程， 需要先构思好产品的功能结构，这往往需要灵感和慎密思考的时间，而逆向工程 是已有实物为参照物，在此基础上进行复制和改进设计，可以节约很多构思时间。 也能够满足新产品的快速实现、个性化和小批量的市场需求。 逆向工程技术主要过程包括：三维激光扫描点云数据的获取、点云数据预处 理、曲面重建等【6 】。近年来，国内外对逆向工程技术的研究已经有很多突破，取 得了不少可喜的成绩，但存在的问题依旧很多。目前，三维激光扫描数据的获取 和快速成型技术的发展己日趋成熟，但是点云数据预处理、实体物体数字模型重 建等技术不够成熟，还有很大的发展空间，而这些方面的不成熟也在很大程度上 影响了逆向工程的实用化程度。获取产品的三维数据并自动重建出兼容于现有 c a d c a m 系统的三维模型是逆向工程技术的最后目标。根据目前国内外在这 一领域的研究成果来看，要达到这一目标，还要付出很大的努力，尤其是对大规 模“点云数据”的处理。这也是本文对三维激光扫描数据进行处理为目的的。 1 3 三维激光扫描系统介绍 三维激光扫描技术又称为“实景复制技术，f 7 1 ，是一种先进的高精度全自动 立体扫描技术，是继g p s 空间定位技术后的又一次测绘技术革新，已使测量数 据的获取、处理方法等进入了新的发展阶段。 三维激光扫描技术是现在国际上获取空间多目标三维数据的最先进的长距 离影像测量技术，由于它是将传统测绘系统的点测量扩展到了面测量，能够深入 到复杂的空间和现场环境中执行扫描操作，并且可以直接将各种复杂的、大型的 实体所扫描的三维数据完整地输入到计算机中，然后快速重构出目标物体的点线 面体及三维模型等几何数据。而且利用这些获取到的三维激光点云数据还能够进 行多种后处理工作。 目前，按照扫描平台可以将三维激光扫描系统分为以下3 类碑3 ：机载型激光 扫描系统、手持型激光扫描系统、地面型激光扫描系统；其中地面型激光扫描系 武汉理丁大学顾，l ：学位论文 统按照测量方式的不同还可以细分为固定式激光扫描系统和移动式激光扫描系。 如下图1 - 1 分类结构所示。目前最常用的三维激光扫描装置是地面型固定式的。 地面型三维激光扫描系统的组成一般包括以下：三维激光扫描仪、扫描仪旋转平 台、数码相机、软件控制平台、电源等其他附件。 机载型激光扫描系统 地面型激光扫描系统 图1 - 1 激光扫描系统分类 下面主要介绍一下地面型三维激光扫描仪系统的工作原理。首先，三维激光 扫描仪的发射器发射一个激光脉冲信号，信号经物体表面漫反射之后，沿与原来 几乎相同的路径反射回接收器，根据这些可以计算出目标点尸与扫描仪的距离 s 。另外，精密时钟控制编码器哺，同时测量每个激光脉冲的横向、纵向扫描角度 观测值口，。三维激光扫描测量通常是仪器自定义坐标系( 如图1 - 2 所示) ，即x 轴在横向扫描面内，】，轴也在横向扫描面内并与石轴垂直，z 轴则与横向扫描 面垂直。依此可得p 的坐标如下。 图1 - 2 扫描仪三维坐标计算示意图 s 、，p = s c o s , o c o s a ( 式1 1 ) 匕= s c o s f l s i n a “一 z p = s s i n , 8 公式1 1 中的距离是由检查激光脉冲从发出到接收之问的时间延迟计算获得 4 武汉理下大学硕上学位论文 ( 见下图1 3 ) 。设发射脉冲往返时f s - jf j l 莉bt 。，目标点p 与扫描仪的距离s 为： s = 吾c 气 ( 式1 2 ) 其中，c 为光速。 图2 激光扫描仪测距原理图 三维激光扫描技术可以直接对各种大型的、复杂的、不规则、不标准或者标 准的实体物体或实景的三维数据进行完整的采集，从而可以快速重构出目标实 体的三维模型和线、面、体、空间等等各种制图数据。该系统的工作目标是快速、 准确地对静态物体进行测量，获得物体的空间三维模型信息，然后对模型的数据 信息进行进一步处理和分析。系统的重要组成部分有：三维激光扫描仪和系统软 件。 激光扫描仪( l a s e rs c a n n e r ，l s ) 扫描所得到的数据是全离散的矢量距离点， 也即是点云p 1 。点云( p o i n t sc l o u d ) 的每个像素包含的通常是距离值和颜色信息 ( 或者角度值) 。距离图像其本身就包含了大量的信息，可以直接用来构建高精 度的d e m ；但是这样的点云数据没有包含明显的拓扑关系和形体信息，所以三 维激光扫描仪使用时必须与其他传感器( 如c c d 等) 结合。激光扫描研究作为 快速精确获取地形数据信息的重要技术，已经广泛地应用于重大灾害后的灾情调 查与评价、g i s 数据的采集、困难地区的地形测绘或森林覆盖、d t m 获取、海 洋测深和环境监测、道路事故快速定位等，。 对三维激光扫描系统获取的点云数据的处理通常会包含数据去噪、点云多视 化对齐、数据的精简和压缩、曲面曲线的重建等部分。 对数据去噪处理是指删除点云数据存在的对后续构建物体模型无用的数据 信息。通常在对目标物体扫描过程中，由于人为的或者环境因素的影响，使得扫 描数据存在大量无用信息，这些信息就是我们要删除的噪声点。比如正在移动的 人、车辆以及周围的非目标物体等，也会被扫描仪扫描采集。这些数据会对后续 5 武汉理工人学硕士学位论文 数据处理过程造成影响，就要删除。 多视对齐指在一些需要对目标物体在不同位置多角度进行扫描测量时，由于 不能一次获得所有的数据，就要对分次测量的数据进行点云对齐和拼接处理。通 常这些物体都是形状比较大，而且复杂的。多视对齐的理论实质呻1 是计算满足如 下高度非线性目标函数的矩阵尺、r ： f ( r ，t ) = r a i n ( 尺* p i + t * q 0 2 ( 式卜3 ) 其中， b ) ， q ，) 是三维激光系统两次测量得到的点云，后续处理前需要对 齐。点云对齐研究的重点主要集中在如何在误差最小的情况下快速求解。目前在 这一领域最著名的算法是b e s l 和m c k a y 提出的亿，p 算法。 点云数据精简是指在不对曲面重构结果造成影响的前提下，并保持一定精度 对海量点云数据进行精简。点云数据精简方法常用的有：平均精简就是把原始点 云数据每，1 个点中保留l l f ；按距离精简就指将原始点云数据某些点删除以后， 剩下的点云中点与点之间的距离都大于设定的距离值。 曲面重构是将扫描的点云数据用准确的曲面表示出来，真实的还原扫描物体 本身的面目。常用的曲面有3 ：三角网格、c o o n s 曲面，b e z i e r 曲面、召样条曲 面、n u r b s 曲面，散乱数据插值曲面、c n s b s 曲面等。点云数据曲面重构以后， 接下来就可以进行三维重建，进而还原扫描物体的本来面目，到此，三维激光扫 描点云数据的处理步骤也基本完成。 1 4 本文主要研究内容 本文是在对现有三维激光扫描数据获取、处理技术的基础上，提出新的数据 处理方法，并按方法实验，得出结果。论文安排如下： 本章主要介绍本课题研究的背景、意义，国内外成功的研究成果，并将介绍 三维激光扫描仪的工作原理和扫描点云数据特点。 第2 章将给出逆向工程软件的相关介绍，并着重说明本文对点云数据处理过 程中会使用到的软件i m a g e w a r e 。首先将介绍软件的概况、界面，然后系统地介 绍软件的主要功能模块和优点。 第3 章将重点介绍对三维激光扫描点云数据的处理方法。包括噪声点的去除， 数据压缩，曲面曲线重构等曲面重构的方法。其中噪声点去除方法将介绍鲁棒滤 波算法和小波阈值去噪；数据压缩方法有区域重心压缩、共顶点压缩；另外还将 分别介绍采用b e z i e r 与n u r b s 方法实现了小规模数据点的曲面拟合，给出相应 的曲面拟合的方法。 第4 章通过一个实例，以三维激光扫描的隧道的原始点云数据为对象，i d a t l a b 软件平台对其进行压缩处理，并对压缩前后的点云数据在i m a g e w a r e 软件平台上 6 武汉理t 大学硕1 ：学位论文 可视化显示，对比压缩效果。 第5 章是对本文工作的总结与展望，包括数据处理过程的要点、注意事项等， 并提出实验方法和过程中存在的缺点和待改进的问题。 7 武汉理工人学硕七学位论文 第2 章逆向工程技术介绍 2 1 逆向工程的定义 随着计算机技术的发展，c a d 技术已经成为产品设计人员研究开发的重要 工具，其中三维造型技术被广泛地应用于产品、模具的设计中。逆向工程技术是 相对于传统的正向工程技术而言的。传统的正向工程( 也即顺向工程) 有着严谨 的研究开发流程，首先确定产品的功能规格，构思产品的组件，设计各个组件， 接着制造、检验，测试性能等。这种产品设计方法是先有产品的二维或三维图纸， 然后根据二维或三维图纸进行实际物体的设计、生产【1 2 】。但是随着人们对产品 外观、构造等要求的提高，以及工业技术的进步和经济环境的发展，产品的功能 已经不再是赢得市场竞争力的唯一要求。为了吸引消费者的目光，产品设计者在 产品外观上所做的工作也就越来越多。进而，产品设计者就把所设计构思的外形 做成模型进行推敲，以更好的体现产品外形；不仅如此，有的时候设计者可以得 到的上游信息也只是实物，而非图纸。这时，设计人员需要通过一定的途径，将 这些实物信息转化为c a d 模型，这就应用到了逆向工程技术。 从广义上讲，逆向工程是一门跨学科、跨专业的复杂的技术，是一种消化、 吸收先进技术的组合。广义的逆向工程主要可以分为以下3 类。 实物逆向：它的对象可以是整机、零部件、组件，作为产品设计制造的手段， 广泛地应用于产品的复制、仿制、改进及创新设计中。它是在已有产品实物的情 况下，对实物进行测绘和分析，再创造；包括功能、结构和材质等方面的逆向。 软件逆向：这里的软件是指产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图 纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等【”】。软件逆向又有3 类：一是 没有实物，仅有全套或部分技术软件；二是既有实物，又有全套技术软件；三是 只有实物而无技术软件。 影像逆向：产品设计者需要通过一些影像资料去构思、设计产品，这种逆向 就称为影像逆向。 通常我们所讲的逆向工程主要是对实物或模型进行测量，得到测量数据后， 对测量数据进行处理，通过三维建模技术重构实物的c a d 模型。也就是指几何 形状的逆向，即实物的c a d 重建。 2 2 逆向工程的应用及关键技术 上个世纪八十年代末，随着科技的发展和人们对产品外形、性能等的提高， 逆向工程技术就开始作为产品设计制造的一种手段引起了各国工业制造界的高 度重视。随后，随着市场的发展，科学家一直很注重逆向工程技术的研究，而且 武汉理_ t 大学硕f ：学位论文 它在制造业领域中的应用也越来越广泛。下面是关于逆向工程应用背景的一些介 绍。 ( 1 ) 尽管目前计算机辅助设计( c a d ) 软件的功能日益增强，但仍然无法 满足一些曲面比较复杂的实物零件的设计需求，使用粘土或泡沫模型代替c a d 设计，然后运用逆向工程技术将实物模型转换为c a d 模型的情况仍然存在。 ( 2 ) 为了利于产品外形的美学评价，设计师常使用产品的比例模型，然后 将比例模型运用逆行工程技术用数学模型表达，再运用比例运算得到实物真实尺 寸的c a d 模型。 ( 3 ) 我们常常会遇到这样一种情况，例如，在制造模具的过程中，常常要 反复试冲和修改模具型面才能得到符合要求的模具。这是因为相关学科发展水平 对产品设计的限制，对零件的功能和性能，通常需要通过实验才能确定零件最终 的形状。如果测量最终符合要求的模具，并逆向求出其c a d 模型，就可以运用 这样的模型加工程序再次制造该模具，这样就可以减少大量的修模量，提高模具 的生产效率，并同时降低模具的制造成本。 ( 4 ) 目前，以已有产品为基础进行设计加工已经成为当今的一条非常流行 的设计理念，而我国在设计制造方面与世界先进水平还有一定的距离，通过逆向 工程技术的应用，可以充分吸收世界先进的设计制造成果，加快产品的国产化速 度，使我国产品设计的起点更高。 ( 5 ) 文物、艺术品的复制与保护【1 6 】。 ( 6 ) 人体数字模型的建立。如以使用者的身体为原始设计数据，复制人体 骨头、关节，制造假肢、特种服饰、头盔等。 ( 7 ) 借助于c t 技术，逆向工程可以产生物体的外部形态，和内部缺陷， 成为工业产品无损探伤的重要工具。 除了以上提到的应用背景，在其他的应用背景上逆向工程技术也存在着巨大 的潜能。 逆向工程中的关键技术主要包括三坐标测量数据的处理、复杂曲面造型、产 品缺陷处理等【1 4 】。在曲面构造中常常会遇到十分复杂的曲面，如何对这些复杂 曲面造型是逆向工程技术的关键技术之一。曲面造型要抓住产品的特征，这样有 助于构造符合要求的曲面。在逆向工程中遇到产品变形时要尽量恢复其到原来的 样子，而在测量数据不完整是就要进行误差修正处理，这些都是属于产品缺陷处 理。 2 3 逆向工程软件im a g e w a r e 介绍 逆向工程软件的功能通常主要有：点云处理、曲线处理和曲面处理，它是通 9 武汉理t 大学硕士学位论文 过接收产品的测量数据，对数据进行编辑，得到品质优良的曲线或曲面模型，并 以标准数据格式将曲线曲面数据输送到现有c a d c a m 系统中，完成最终的产 品造型。用于逆向工程的软件可以分为两大类：一类是点云数据处理软件，另一 类就是造型和数控编程软件；在实际应用中，由于大多数工程技术人员对逆向工 程技术了解不够，常常会将逆向工程技术与现有c a d c a m 技术等同，用现有 c a d c a m 系统的技术水平要求逆向工程技术，而造成人们对逆向工技术的不 信任和误解。 我们通常说的逆向工程软件，专指处理点云的噪声滤除、插补、曲线曲面 建构、曲面修改等操作的软件，有j g e s 、2 3 x f 、s t l 等多种输出格式，常用 的有：u g i m a g e w a r e ( s u r f a c e r ) ( 美国) 、c e o m a g i c ( 美国) 、c o p y c a d ( 英国) 等。其中i m a g e w a r e 作为u gn x 中提供的逆向工程软件，具有强大的测量数据处 理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。i m a g e w a r e 的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际侧量数据之间的 误差以及平面度、真圆度等几何公差。下面就详细的介绍i m a g e w a r e 逆向工程软 件。 2 3 1i m a g e w a r e 软件概况 l m a g e w a r e 软件由美国e d s 公司出品，是最著名的逆向工程软件【1 7 】。以前该 软件主要应用于航空航天和汽车工业，主要因为它们对空气动力学性能要求高， 在产品开发的初始阶段就要仔细考虑空气动力性。常规设计流程通常首先根据工 业造型需要设计制作出油泥模型之后，再将其送到风洞实验室测量空气动力学性 能，然后再根据实验结果对模型进行反复修改直到获得满意结果为止，如此所得 到的最终油泥模型才是符合需要的模型。如何将油泥模型的外形精确地输入计算 机成为电子模型，这就需要采用逆向工程软件。首先利用三坐标测量仪器测出模 型表面点阵数据，然后利用逆向工程软件( 例如：i m a g e w a r es u r f a c e r ) 进行处理即 可获得c l a s s a 曲面。 随着科学技术的进步和消费水平的不断提高，其它许多行业也开始纷纷采用 逆向工程软件进行产品设计。以微软公司生产的鼠标器为例【l5 1 ，就其功能而言， 只需要有三个按键就可以满足使用需要，但是，怎样才能让鼠标器的手感最好， 而且经过长时间使用也不易产生疲劳感却是生产厂商需要认真考虑的问题。因此 微软公司首先根据人体工程学制作了几个模型并交给使用者评估，然后根据评估 意见对模型直接进行修改，直至修改到大家都满意为止，最后再将模型数据利用 逆向工程软件i m a g e w a r e 生成c a d 数据。当产品推向市场后，由于外观新颖、曲 线流畅，再加上手感也很好，符合人体工程学原理，因而迅速获得用户的广泛认 可，产品的市场占有率大幅度上升。 l o 武汉a i 学砸# 位论卫 目前，i m a g e w a r e 软件j f 被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、 计算机零件等设计与制造领域。如国外的b w m 、b o e i n g 、g m 、c h r y s l e r 、f o r d 及t o y o t a 等著名国际大公司，国内的卜海大众、j _ ：海变大、上海d e l p h i 及成都 飞机制造公司等大企业都在应用该软件。b n a g e w a t e1 2 版的软件界面如图2 - 1 所 币a 毋翟感盛，疑锺固为爷料谚 一_ 、 ；，哆- 冀：专 = 嚏9 蠢谚j 毋矗谚争纠 一，匕一目，飞，秽, i p ) ( 甄尊 l一 f ：_ j f 而鬲j 町j r 8 口j l 矗。石8e 倒2 - l h n a g 一1 2 界面 i m a g e w a r e ：f f _ 曲面e 采用n u r b s 和b e z i e r 混合技术【l 目功能十分强大，易于 应用，l m a g e w a r e 对硬件要求不高，可运行于各种配置的p c 2 ：，支持目前流行的 肼h 如m 操作系统。 l m a g e w a r e 由于在逆向工程方面具有技术先进性，产品一经推出就占领丁很 大市场分额，软件收盏正以4 7 的年速率快速增k 。目前随着许多行业对外形 提高要求，也纷纷采用l m a g e w a r e 软件进行产品的逆向设计，以便获得高质量的 外形。i m a g e w a r e 在三维检测、高级曲面、多边形造型及逆向工程方面提供了独 特、综合的功能及工具，使它的应用范围从早期的概念开发直到产品的逆向设计， 以便获得高质量的外形。 232 i m a g e w a r e 主要模块 ( 1 ) 基础模块 包含文件存取、数据接口、数据显示、操作控制厦数据结构等内容 ( 2 ) 点处理模块 武汉理工人学硕十学位论文 i m a g e w a r e 具有功能强大的点处理功能，可以非常好的处理几万甚至几十万 的大规模海量点云数据。逆向工程的首项任务就是点云数据处理，并且点云数据 处理对整个逆向工程中非常重要的技术。用户应用i m a g e w a r e 逆向工程软件可以 对点云数据完成清理、稀疏及检查等工作。点处理模块的主要功能有【l6 】：点云 数据的读入、显示、对齐等，点云特征提取，增加点云和切割修剪点云，编辑 点云( 如析出点云、删除杂点、点云多边形化、割断面等) ，另外还可以完成点 云数据分析工作( 如测量点坐标、测量点点距离、点云曲率分析等) 等。 ( 3 ) 评估模块 评估模块主要完成对模型总体质量的定量、定性评估。 定量评估完成了实物与模型的精确数据反馈和数据的精确偏差量的反馈。实 例包括对相邻曲线和曲面位置、相切及曲率连续的检查工具，还有偏差检查工具 以检查不同实物之间的精确差别。如曲面问的g i 连续的精确度。 定性评估强调的是模型美学质量的评估。有效的定性评估方法是将图像包裹 到零件表面以获得实际效果。图像可以通过环境及建筑物的数字化照片获得，另 外软件中保存了大量的预先输入的环境样本。这样就可以在模拟的环境中观察模 型，从而取代昂贵的物理模型。当然，除此之外，也可以选择使用工具预先显示 跨整个模型的光流线的情况。这样同样可以帮助我们发现曲面片构造中的细微误 差。定性评估对于工业设计及汽车、航天航空设计这样要求高质量曲面的行业而 言有着绝对的需求。 ( 4 ) 曲面模块 曲面模块可以完成曲线和曲面的建立和修改。这包括扫掠、放样及局部操作 用到的圆角、翻边及偏置等曲面建立命令。还能高质量的完成高阶次( 最高到2 1 次) 的几何b e z i e r 模型( 汽车的c l a s s a 曲面) 。几何的编辑可以用多种方法实现。 首先就是通过直接编辑曲线及曲面的控制点，这对于初始的黑屏设计、输入的遗 留数据或小局部需要修改的情况非常有用。作为控制点编辑工具的补充，新增了 完整地针对曲线网络及相关结构的新的三维约束解算器【2 1 1 。这些工具捕捉引起 自动更新物体之间的关系。这将快速改善设计人员的效率。 曲面模块提供能够直接通过手工或自动方式编辑曲线及曲面的控制点的功 能，可以通过编辑使曲线、曲面满足任何形状及光顺度的要求。i m a g e w a r e 曲面 模块提供了功能强大的曲面匹配功能，可以快速处理曲面之间的连续关系。这将 允许在边界线或者内部点上将临近的曲面片进行曲面位置、相切及曲率连续的处 理，同时提供了丰富的匹配选项来精确控制结果的几何模型。 ( 5 ) 多边形造型模块 多边形造型模块对三角形数据、棋格数据的处理提供了支持。i m a g e w a r e 可 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 以处理对模型修补、基本特征构建以及快速成型应用中点s 死数据处理。利用多 边形造型模块可以方便地生成或编辑小平面模型。多边形造型模块在功能性方面 允许执行以下操作【1 7 】：由密集的点云建立多边形、偏置多边形用于包装、切割 多边形数据剖面、通过布尔操作增加或减少多边形数据、快速加工应用、多边形 雕刻及编辑、多边形可视化、快速物理样机准备及实验等。 通过这些操作，可以以高效可靠的方式将产品工程的设计意图传递到最终产 品。作为单独运行的模块，它可以处理任何大小的多边形模型，与点处理和曲面 处理相结合，在市场上形成了极具竞争力的造型概念。 ( 6 ) 检验模块 检验模块是针对复杂数字形状与物理以及物理样机的三维模型的检验。可以 实现点云数据与c a d 模型、实际工件样机之间的比较。 2 3 3i m a g e w a r e 的优点 i m a g e w a r e 软件的优势如下。 ( 1 ) 为整个创建过程制定流程 当越来越多的设计师们都认识到了3 d 设计思想能快速的将概念阶段的思想 变成准确的曲面模型之后，越来越多的公司开始采用3 d 设计技术。几个世纪以 来，2 d 设计方法在一直在产品开发设计方面被广泛应用，而现在3 d 设计方法 的出现，它对现有2 d 设计做了有益的补充，能更加准确的描述设计工作者的设 计意图，提高工作效率【2 3 】。 运用i m a g e w a r e 逆向工程软件，采用3 d 设计方法，可以缩短设计周期，提高 产品质量，降低成本。无论是对产品进行全新的设计，或者仅仅是利用物理模型 对现有零部件进行优化再设计，i m a g e w a r e 软件都提供了一个很好的平台来扩展 创建流程，并且还可以利用熟悉的造型工具。 ( 2 ) 有效的加强产品沟通 这一方面的优势主要表现在运用3 d 设计方法可以更好的获取设计意图的产 品定义，而且产品设计师和造型师之间的沟通也更加方便清晰，另外这种沟通还 贯穿在整个工程和制造环境中，也包括了扩展的企业和供应链的沟通。 运用i m a g e w a r e - t 程软件，用户可以制定在设计方案的同时，在屏幕上动态 地研究多种不同的设计，从而可以在设计过程中即使显现其中蕴涵的美学和工程 信息，可以在设计的早期对关键的设计问题进行沟通，大大减少对实际物理样机 的需求。在对设计模型进行操作时，通过即时更新的全彩色3 d 诊断和云图，能 够让设计变化和修改变得更加容易。 产品开发速度的进一步提高依赖于可视化工具的扩展和报表能力的提高 武汉理- t 大学硕士学位论文 1 2 4 】，用户可以使用用户化的环境贴图对设计的美学性进行评估，或者如果有检 测得需要，也可以对比结果进行评估并输出详细的分析结果。 ( 3 ) 基于约束的造型 在l m a g e w a r e r 辛，为了简化复杂的设计工作可以通过使用基于约束的造型方 法，使用这种方法时设计师可以在一种交互的环境中工作，并可以同时在产品开 发的初期阶段就制定重要的设计方案。 l m a g e w a r e 的3 d 约束引擎【2 3 】允许相关造型，这样就能戏剧般地改变创建 c l a s s a 和高质量曲面的方法，这个工具已经是现成可以用的，设计人员可以决定 什么时间、什么地点以及哪些约束条件，还有需要保持多长时间，而这些都不会 改变模型的大小或者影响模型的性能。 如果设计人员在工作时设定了约束条件，那么所有的设计更新都将实时地反 映，这将方便不同的设计方案的评估，并且不需要像那些没有约束的系统在设计 造型的初期阶段制定很多的计划，或是做一些无趣重复的工作。 不同的颜