（航空宇航制造工程专业论文）点云数据抗噪处理方法及其在叶片重建中的应用研究.pdf

西北工业大学博士学位论文摘要 摘要 随着计算机和自动化测量技术的高速发展，逆向工程已经成为以实物为研究 对象，利用计算机技术进行产品仿制及新产品开发的重要技术手段，在制造业中 发挥着越来越重要的作用。在逆向工程中处理的数据大多具有数量巨大、结构散 乱、含有噪声等特点，这些特点给凡何造型带来了很大的困难。研究如何扶海量 的噪声点云数据出发，重建出高质量的几何模型，对于提高逆向工程的技术水平 具有重要意义。本文以航空发动机叶片为研究对象，结合神经网络和小波分解等 方法，围绕几何重建过程中散乱噪声点云数据的处理问题，重点研究了其中的区 域分割、三角网格剖分、截面线重建等关键技术，并在此基础上针对叶身曲面在 重建过程中涉及到的关键算法进行研究，完成了如下工作： 本文首先对逆向工程技术的应用领域、关键技术的发展现状进行了综述，分 析存在的问题，进而提出本论文选题的依据，概述了本文的主要研究内容和论文 结构。 针对逆向工程技术中点云数据的区域分割问题，本文对基于面，基于线和基 于聚类的三类区域分割方法进行了分析比较，提出了一种基于模糊神经网络的区 域分割方法。这种方法首先提出了一种改进的模糊自组织特征映射网络( 缸田， s o f m ) 模型，并在此基础上提出了利用这种模型进行区域分割的算法以及特征 线提取算法。与现有的分割方法相比，这种算法具有以下优点；第一：改进的网 络模型显著加快了区域分割的速度，而且使得分割的结果与数据的输入顺序无 关；第二：可以直接处理含噪声数据；第三：在区域分割的基础上利用数据的隶 属度快速提取出特征线数据，从而将基于面的分割和基于线的分割结合起来，能 够提供比现有分割方法更为完整的分割结果。 空间散乱数据的三角剖分是逆向工程的关键技术，本文提出了一种基于神经 元增长结构( g r o w i n gc e l ls 咖c t u r c ) 的空间三角剖分方法。这种方法利用全部 数据点信息进行网格剖分，无需对数据进行平滑、精简等预处理，避免了因平滑 或精简而丢失重要的几何信息的可能，这种方法不仅比现有三角网格剖分算法降 低了算法复杂度，而且具有可以直接处理带有噪声的数据，网格规模可控，生成 的三角网格形状较好等优点。 本文比较系统地研究了基于截面特征的逆向工程技术，提出了与截面线生成 有关的若干方法，主要包括复杂截面数据的排序与轮廓分离方法、角点检测方法 - t 西北工业大学博士学位论文 摘要 和光顺平面曲线重建方法等，并通过数据实验验证了这些方法的有效性。 首先，提出了一种基于极坐标的复杂截面数据排序和轮廓分离方法，解决了 多轮廓复杂截面线数据的排序与分离问题，该方法也可用于图象数据的轮廓跟 踪。其次，本文对现有的角点检测方法进行了改进，提高了检测的准确性。 第三，提出了一种基于曲率图小波分解的平面光顺曲线重建方法本文首先 对估算得到的离散曲率进行小波分解，提取其低频部分作为新的曲率，然后利用 几何h e m 沁插值方法，重建出光顺的截面线。这种方法具有可以直接处理含噪 声的点云数据，插值给定曲率，容易实现局部光顺和整体光顺等优点。算例证明 这种光顺方法比起现有软件中的方法不仅光顺效果更好，而且执行效率更高。本 文用这种方法建立了叶身截面线的几何模型。 针对叶身曲面重建过程中的一些关键问题，本文提出了一系列重要算法，主 要包括中弧线提取算法、前后缘高精度拟合算法以及截面线离散时的近似弧长参 数离散方法等。其中基于等距线的叶片截面中弧线提取方法将中弧线提取问题转 化为求等距线自交点问题，并提出了相应的逐层细分求交算法这种中弧线提取 方法比现有方法不仅降低了算法复杂度，而且避免了在前后缘附近计算不稳定的 问题，数据试验说明这种方法具有较高的计算精度和较好的鲁棒性。 近年来越来越多的实验和数值计算显示采用椭圆形前缘可以明显改善叶片 的气动性能。因此在叶片的重建过程中，需要解决椭圆弧的高精度拟合问题在 研究了现有椭圆拟合算法的基础上，本文提出了一种高精度的椭圆弧拟合方法。 它不仅较好地解决了椭圆弧高精度拟合问题，而且可以用于椭圆形或圆弧形叶片 前后缘的高精度重建，该方法还可以自动且有效地排除出格点，解决了现有人工 选点导致拟合精度不高的问题。数据试验表明该方法不仅鲁棒性较好，而且具有 更高的拟合精度。 基于上述研究结果，本文利用三次有理b e z j 仃曲线建立了前后缘的精确几何 模型，分析比较了现有的叶身曲面建模方法的特点另外，本文还分析了建立叶 身曲面模型的关键技术，并对其中涉及到的近似弧长参数离散的方法进行了研 究。 最后，对本文的主要研究工作和取得的结论进行了总结，并展望了下一步的 研究方向。 关键词：逆向工程，人工神经网络，曲线光顺，叶片，中弧线 一一 西北工业大学博士学位论文a b s t r c a t a b s t r a c t w 胁h i g l ls p e e dd e v c l 叩m e n to fc o m p u t e rt h n o i o g ya n dr o b o t i z e d 巾e 邸u 他 t e c l l i l i q u e ，m v e r c f l g i m e r i n gh b e e nam e t l l o dw h i c hu t i l i z e sc o m p u t 盯t h n i q t os i m u l a l ep r o d u n 锄dd c v e l 叩n e wp r o h d u c ta c c o r d i n gt 0p f a c t i c a l i 够i t p l a y sam o m 肌dm o i m p o r 1 tr o l e mm a n u f a c t u r i n gi i l d u s n yt 1 1 ed a t aw ed e a lw i t l li n v e 瓒 c n g i n f i n g 缸en o ；s yu n o 唱锄i z e d3 dd a t ac l o u d ，w h i c hb r i n gg 础吐d i f f i c u 时t o r e c o n s t m c t i p r o c e 站i i lt 1 1 i sd i s r t a t i ，a r t 币c i a ln e u m in e t w o 一( a n n ) a n d 啪v e l e tm e m o d s 娥i n 仃o d u c e dt o s t u d ys o m ek e yt e c h n o l o g i 舔o f 科e 嗽 e n g i n e e r i n gf o rs c 绷七r e dn o i s yd a 上ac i o u d ，w h i c hi f l c i u d e g t n e n t a t i o n ，研a n g u l a t i o n 锄df a j n gc u r v e 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“n do fd y 咖i cn e u m in e 啪r k - 3 r o w i n gc c i ls h l i c t u r e m 一 西北工业大学博士学位论文 a b s ”c a t ( g c s ) ，an e wm e t h o do f 仃i 锄g u j 鲥o ni sp r e n t e d t 1 l i sm e m o du s e sa l ln o i s yd a | l a p o m t s 曲i e c u yt oi m p l e m e m 仃i a n g u i 撕o na n dd i s p e i l s 嚣州t hs m 0 0 曲i n g 粕d 纰 r 。d u c t i o np r o c e s s ，w 址c hm a yi e a dt ol o s so fg e o m e 晡cc h 盟慨e r _ m o r e o v 瓯t h i s m e t h o di so f1 0 w e rc o m p i e x i 锣t h a l lo t h e r 斫锄g 【i l a d o na n dt h e 锄o u n to f v e r t e x e si n 眦s hc 强a l b ec a l c u l a l e d ，s o w ec 越c o i l n d l 也es 主z e o f m e s h i n 趟v a n c e a t l a 照a p 删c a le x 锄p l ei s 舀v e n t 0p r o v ei t se f f b c t i v e n e s s s 锄ea l g o r i t h m si n v o l v e di i lt h e 啪t i o n - f e a t i l r eb a s e dr e v e r e n g i l l e e 咖g 锄 p r e s e n t e di n 也i sd i s s e r t a t i o n 1 1 1 e a i g o r i t l l i _ n si n c l u d ed a 组s o r t i n g 距dc o n t o l l r s c p 删曲g 眦t h o d f o rc o m p 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鹊m ws m o o mc u r v a n 鹏s i 母谢，州c hi si i s e dt oc o n s 仇l c t ag c o m i i l u o u sp i e c e 、i 删o n a lc b i cb e z i e rc u r v ew i t hg h im e t l l o ds u b s c q u e n y c o r n p 砌、v i t l lo t l l 盯f 缸血gm c t l l o d s ，t l l i sm e 山o dc 如d i s p o 辩o fd a t aw i t hn o i 辩 d i 删ya n dr e a l i 玛l o c a l 纽r i n ga n di r l t e g e rf 撕血ge a s i l y n l ee 鼠c ta l l de 氲c i c n c yo f t l l i sm e t b 0 h da r ea l p r 0 v e d 、v i t hs 锄e 蚴p l e s t u r b i n eb 1 a d ei ss e 鹤o n ek e yp a r to ft i i ea e 胁e i l g i n c s o m ei m p 0 衄t a l g d r i t l l l n si n v o l v e d i nb l a d e 如r f h c e 舢i l 锄m c t i o na 陀g n l d i e d am e t l l o df o r c o m p u t i n gs k e l e t o nc u r v eo fb l a d ec m s s - c t i o nb ym e a l l so fo 丘e tc u r v 髂i s 百v e n t h ep f o b i e mo fc o m p u t i l 培s k e l e t o nc u r v ei sc o n v 眦耐i n t 0h o wt o 血dt h e l 二i 1 1 t e r s e c t i o 璐o f o 丘e tc u r v 器am u l t i p l es t c pa l g o r i t l l mi sp r c s e n t e dt od e t c m l i n e s 硷l 前o nc u f 、，e 锄ds o m el d e v a n ti i n p o 尬tp a r a m e 雠i ti ss b o 、v n 也a tt h i sa l g o r t h m i so fg o o dp r e c i s i o n r o b 嘞e s s 锄dl o w 盯c o m p l c x 时t h 趾o t h e rm e m o d s n e p m b l e mo f 咖b l e n 船so f c o m p u 伽o n i sa l s 0a v o i d c di 1 1 “sm e t h o d nh 越b e c np r o v e dt i l a lt h ep e r f b m 啪c eo f t u r b i n eb i a d ec 如b ei i i l p r o v e di f i t s i e a d i n n 证l i n ge d g ei s 缸e l l i p 辩a r c af i t 【h 坞a l g o r i t i 皿b a s e do nt h ep 血c i p i eo f 一一 西北工业大学博士学位论文 a b s t r c a t l e a s ts q u a 锄dp o ki i n eg c o m e cp r o p c r t i 髂o fd l i p i sd c 一b c d t h i sn e w a l g o r i 蚰i so f9 0 0 dr o b 咖e s s 锄dh i g l la c c u m c yf o rf i t t i n g 彻e i i i p s e ，e s p c c i a n ya s c g m e n to fe i l j p i tc 扑b eu s 酣t 0r o n s 帅c tt l l el e a d i n g ，缸i l i n ge d g eo f b l a d ei n r e v e 体ee n g i n e e r i n g 锄df j tt h ee l j i p s ca 佗w i t hh i g hp r e c i s i o n c 啪邮dw i mo t l l e r m 劬o d sc 栅d i n go u t j i e 巧m a n m i i y t 1 1 em o s tj m p o r t 卸ta d v 如t a g eo fm i sm e t h o di g o u t l j e 体啪b ce x 协j d e da u t d m a t i c a l l yd 埘n gt 量l ef i t t i n gp m c c 鹳，w h j c h 即s u r e st l l e h i g hp 坨c i s j o no f f i t t i n g b a s c do na b o v c s e 缸c h ，w em o d e lt l l el e a d i n 咖i l i n ge d g ew i t l lc u b i c 洲o n a i b e z j e rc u r v e t h r e e 虹n d so f m o d e l i n gm 劬0 d sf o rb l a d es m t h c ca r ec o m p a 糟di i lt t l i s d i s 营e r t a t ；o n a na p 舯d x j m a t e 甜ci c n g t hp 掘匝e t c 血雕i o nm 劬o dw h i c hp l a y s 柚 i m p 0 a n tr 0 i ei nb l a d em o d e l i n gi sa l s 0p r e 辩m e d i nt h es u m m a r yo ft i l i sd i s 辩r t a t i o n ，an 呲b e ro fa d v a n c e dt o p i c sf o rf e 缸u 地 把c h n i q u e - m 旭v e r s ee n g i l l e e r j n ga 托a d d r c s s c df o rt l l e 如t i l 托心s e a r c h k 吖w o r d s ：m 啊s ee n g j n e 嘶n 参a n m c i a ln e u r a ln c t o 吒c u r v ef a i r i n g ，1 u b m e b i a d e s k e j e t o nc u r y e v 一 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。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。本人允许论文被查 阅和借阅。学校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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 玉乃晕 指导教师签名：乏丝 二钎2 月日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的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和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。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。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：丝竺三i 溯晕? 浸去黾 西北工业大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 传统的工业产品开发是从确定功能和规格的预期指标开始，构思产品的组 件，然后进行各个组件的设计、制造及检验。再经过组装、整机检验、性能测试 等程序来完成。此类开发过程称为正向工程【l 】( f o r w a r de n g i i l r i r l g ) 。在正向工 程中，设计师需要基于产品的功能和规格指标，利用c a d 软件构造产品的数字 化模型。由于种种原因，单一的正向工程已经无法满足工业生产和社会发展的需 要，主要体现在以下几点： 首先，随着工业技术的进步和经济环境的发展，功能上的需求已经不是赢得 市场竞争力的唯一条件，工业设计已经越来越收到重视。产品不仅要求功能上的 先进，而且要求外形的美观。，如汽车、家电、玩具等行业的产品正朝着美观化、 艺术化、轻巧化的方向发展，为了使产品具有美观、艺术化的外观，在工程设计 中离不开自由曲线、曲面的应用。而在概念设计阶段，无论是用传统的二维图纸 还是c a d 软件，对于这种带有自由曲面的复杂产品外形都很难从美学角度快速 而直接地建立模型。随着计算机c a d c a m 技术与测量技术的发展，新的设计 思想与方法不断出现。一种自上而下的主要思想是：首先在计算机上根据使用功 能进行制品的概念设计，由工业设计师设计制品的结构和外形，在满足产品功能 的基础上，力求使产品更符合美学原则，以适应市场潮流。然后将c a d 的制品 造型按比例制作实物模型，进行设计评价、设计修改的反复过程，再利用测量技 术与计算机c a d 三维造型技术，进行曲面重建，最后确定c a d 模型。模具设 计师据此c a d 模型进行三维模具结构设计及数控加工。 其次，传统的产品开发周期时间太长，不能适应市场激烈竞争的需要。为了 节约开发时间和开发成本，缩短产品的开发周期，增强产品的市场竞争力，经常 需要对现有产品进行再设计，或者利用别国或他人的现有产品，对其进行仿制或 改进。在这一过程中，往往只有产品的实物样件，而没有产品的图形文档，所以 需要从产品样件出发，通过三维测量设备获取现有产品的外形轮廓或内部结构数 据，重新建立产品的几何模型。 第三，尽管利用c a e 可以完成不少产品的功能和性能分析。但许多产品的 西北工业大学博士学位论文第一章绪论 外形需要通过各种实验才能最终确定，如航空发动机叶片，飞机翼型，汽车车身 等产品大多需要先制造出产品的模型，然后对模型反复迸行风洞实验等各种实 验，最后取得符合功能要求的产品模型，并根据模型生产出产品。 基于上述种种原因，单纯的正向工程已经不能完全满足工业生产和社会生活 的需要，越来越多的场合需要一种从实物模型到产品c a d 模型的生产模式，这 就是所谓的逆向工程。 1 2 逆向工程及应用领域 逆向工程又叫反求工程、反向工程、测量造型广义的逆向工程包括：形状 ( 几何) 反求，图象反求，工艺反求，材料反求等许多方面。本文仅讨论工业生 产中最常见的形状反求( 以下简称逆向工程) 。所谓的逆向工程是针对一个现有 工件( 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 器快速、准确的测量出轮廓的坐标值，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 系统。再由c a m 系统所产生刀具的n c 加工路径送至c n c 加工机制作所需的模具，或者以快速成型机( r a p i dp m t o t y p j n g ) 将样品的模型制 作出来，这一流程称作逆向工程【l 】，具体的流程见图1 1 。 逆向工程为制造业提供了一个全新、高效的三维制造线路随着三维测量设备 和测量技术的不断发展，对逆向工程技术研究也日益深入，应用范围不断扩大， 主要体现在： 鬯 磊磊司厂产品 il 模具 3 0 警测卜寸藕蒜 军广弋型苎墼塑 数据预处1 理 掣掣单一 s t l 文件li 产品图纸fln c 代码 曲面重构 竺竺望r 叫竺堡堡卜叫阐、j 、一二。= 图l ，1 逆向工程的流程 一2 一 西北工业大学博士学位论文第一章绪论 1 ) 基于产品模型的产品外形设计 当设计师很难直接用计算机给出带有自由曲面的复杂产品外形时，经常在概 念设计阶段用黏土、塑料或木材先进行初始外形设计，建立产品的外形模型，并 由此生成产品的c a d 模型。逆向工程的最初应用领域主要是航空航天和汽车工 业，因为这两个领域对产品外观的气动性能有很高的要求，常规的设计流程是根 据气动性能的要求制作出油泥模型，然后将模型送到风洞实验室通过多次风洞实 验测试其气动性能，根据实验结果反复修改模型，直到得到满意的结果，最后根 据修改好的油泥模型导出产品的c a d 模型，这就需要逆向工程技术。 2 ) 对现有产品进行仿制或改进 技术创薪是继承和创新的结合，逆向工程以现有产品为起点，以学习继承现 有技术或再设计出新产品为目标，在新产品开发过程中缩短了开发周期，节约了 开发成本，大大提高了产品的市场竞争力。尤其对于一些企业外购的产品，生产 企业一般不会提供产品设计的原始设计文档，要对这类产品进行复制或再设计就 必须借助逆向工程技术。更重要的是对于我国这样一个发展中国家，通过对先进 产品的仿制可以帮助我们迅速提高产品的设计和制造水平，迅速赶上甚至超过西 方发达国家的制造业水平，这对于促进航空工业、航天工业、汽车工业等重要行 业的发展具有重大的现实意义。 3 ) 磨损或损坏零件的修复 某些大型设备或精密零件，如航空发动机叶片，大型气轮机组，常会因为一 部分零件的磨损或损坏而影响整个产品的性能，甚至导致整个产品无法使用。通 过逆向工程可以测得产品的三维数据，快速生产出产品的替代品。 4 ) 产品的检测 通过逆向工程技术，可以利用c a d 信息自动生成测量程序，通过三维测量 仪获得产品的测量结果，将其再与c a d 信息进行比较，评价产品的加工精度。 5 ) 复杂模具的快速制造和翻新 利用传统的设计和制造方法生产复杂模具时，制造周期长、成本高，精度难 以保证，而且由于形状复杂，也很难利用c a d 软件建立模具的几何模型。利用 逆向工程技术，可以方便快捷的输入产品的三维测量数据，快速成形及翻模。对 工作人员技术水平的要求也比较低。另外，由于模具长时间使用，磨损严重，需 要对其进行翻新。利用三维测量技术，可以方便地测量旧模具的三维数据，直接 在计算机上模具的c a d 模型，利用数控加工技术完成模型的翻新。 6 ) 在医学和考古、艺术品复制等领域的应用 在对艺术品、考古文物的数字化保存和复制过程中，在对人体关节的复制、 西北工业大学博士学位论文 第一章绪论 假肢制作和牙齿镶复等医学领域，逆向工程都发挥着其它技术无法替代的重要作 用。 综上所述，逆向工程在上述的几个应用领域中正发挥着不可或缺的重要作 用。随着研究的深入，逆向工程技术也日渐成熟，其应用的广度与深度必将不断 取得进步。作为先进制造技术的重要组成部分，逆向工程技术将取得令人瞩目的 经济效益与社会效益。 1 3 逆向工程的关键技术及研究综述 逆向工程主要包括数据采集、数据平滑、数据精简、多视数据拼合、数据分 块、网格剖分、曲面拟合和c a d 模型重建等关键技术，其中数据平滑、数据精 简、多视数据拼合、数据分块等技术被统称为数据预处理环节。这些技术对重建 结果的质量起着至关重要的影响。限于篇幅，本文仅就其中的一部分关键技术的 研究现状做简单的综述。 1 3 1 数据采集 数据的采集是逆向工程的第一步，也是逆向工程的基础，只有快速、准确地 获得高质量的轮廓数据才能为随后的高质量重建提供良好的原始数据。张舜德 闭、史桂裂如分别对主要的数据采集方法进行了分类。目前，主要的数据采集方 式分为接触式、非接触式和破坏式三大类，其中每一个大类又有很多更细的分类， 如图1 2 所示。本文仅介绍三大类中一些最具有代表性的数据采集方法。三坐标 测量机( c o o r d i i i a _ t cm e a s i 玳m e mm a c l l i n e ，简记为c m m ) 是接触式测量的主要 方法。最早的三坐标测量机是探针式的，它的杆式机构一般有3 6 个自由度， 负责控制探针在空间的移动。末端是用于采集数据的探针。三坐标测量机利用力 一位移传感器实现测头在工作表面的快速移动移动的路径可以编程控制。测得 的数据是测头中心的三维坐标，需要进行测头半径的补偿，补偿的方法有：微平 面法、平均矢量法、二次补偿采点法等【4 j 。三坐标测量仪的优点是不受物体表面 颜色及光照的影响，对边界也能准确地测量出结果，缺点是由于测头的限制，可 能无法测得某些测头无法达到的细节数据，也无法测量一些软质表面；测头和物 体表面容易磨损：测头的移动速度受到机械运动的限制，速度较慢：测得的数据 没用明显的拓扑关系，数据往往里散乱排列；而且无法直接测得产品内部轮廓的 数据。三坐标测量机可以达到很高的测量精度( 约蜘5 印1 ) 1 4 j 。另外，接触式 西北工业大学博士学位论文 第一章绪论 扫描仪和电磁波笔、声波笔也是接触式的测量设备。它们的价格比c m m 低，但 测量精度也较低。 随着光电技术的发展，非接触式测量方法【5 】【6 】得到了广泛应用。这类测量方 法主要是基于声、光、电磁原理，测量时测量设备与被测零件表面无接触，不受 材料软硬的限制。它的种类较多，例如：声纳测量仪是利用声波遇到被测物体产 生回声的时间计算测量点与声源之问的距离；图像分析法是利用一点在多个图像 中的相对位置，通过视差计算距离。总之，非接触测量方法的种类非常多，激光 三角形法、光栅投影法、工业c t 和和核磁共振( m r i ) 是其中最典型的几种。 几何形状器量 接供式 c m m 接触式 扫描 羽 非接繁式 声学ll 光学l 电毫 _ 舂坏式 工 断层 扫描便 磊i 1 翮i 非相干法li 相f 洼ii 工业c t il 甚共羟成像 主动式li 被动式 愁刚懂隔丽褊l ：j l ： im 莫尔条纹 蟊字莫尔 光番编码 傅立时 变换 川 图1 2 逆向工程中数据采集方法的分类 激光三角形法是目前应用最普遍的一种非接触测量方法，它的基本原理是： 由具有规则几何形状的激光源投射一个亮点或直线条纹到待测物体的表面，并且 其产生的漫反射在空间相应位置的探测器( 一般为c c d ，一种阵列式的光电耦 合检像器) 上也形成亮点或直线条纹，按照三角形几何原理即可测出测量点的空 间坐标。激光三角形法的特点是速度快，精度较高，如冱o n 公司生产的激光 测头测量速度可达1 5 0 0 0 点，秒，精度可达1 0 岬。激光三角形法的主要缺点有： 西北工业大学博士学位论文第一章绪论 容易受到工件表面反射特性( 如颜色、曲率、粗糙程度等) 的影响，被测物体的 表面不能太光滑；也容易因为环境光的影响使得测量数据的嗓声较大；对边界线、 凹孔等不连续情况测量较困难；另外，它也不能直接测得产品内部轮廓的数据。 光栅投影法是采用普通白光将正弦光栅或矩形光栅投影到待测物体的表面， 再根据c c d 摄取变形光栅图像，再根据变形光栅图像中条纹象素的灰度值变化 计算出待测物体表面的空间坐标。随着分区域测量技术上的发展，使得投影光栅 法的测量范围增大，精度也得到了进一步的提高，目前已经有比较成熟的系统面 世，如德国g o m 公司的a t o s i i 流动式光学坐标测量系统不需要平台支撑，测头 可快速移动到任意位置，测量速度大于4 3 0 0 0 点秒，单帧精度为o 0 3 m m 整体 测量精度好于o 1 m 耐m 。与激光三角法相比，光栅投影法测量的速度更快，但 精度稍低，非常适用于需要大规模测量点的自有曲面和复杂曲面的数字化：其次， 待测工件的表面变化不能过陡，对边界线、凹孔等不连续情况测量较困难；另外， 它也容易因为环境光的影响使得测量数据的噪声较大： 工业c t 【7 j ( h d 埘时c o m p u t c r i z e dt o m o 蓼a p h y ，简记为i c t ) 和核磁共振 ( m a 即e t i cr e s o n a i l c ei m a g i l l g ，简记为m i u ) 技术是另外两种应用比较广泛的非 接触测量设备，与c m m 和光学扫描仪相比它最大的优势在于可以无损的测量到 产品的内部轮廓，这在对稀有或贵重产品的仿制过程中具有十分重要的意义。被 广泛应用于航空、航天、兵器、核电、机械制造等行业，是国际无损界公认的最 佳无损检测手段。工业c t 是利用射线在被测工件无损状态下，从多个方向以扫 描方式透射被检测物体某断层，用专门的探测器把经过被检物射线衰减后的信 息采集下来。通过计算机采用专门的图像重建算法，把被扫描断面以二维灰度图 像形式展现出来，其检测直观结果是具有突出的密度分辨能力的被检断层的断 面图像。从图象上可以直观地看到目标细节的空间位置、形状、大小，感兴趣的 目标不受周围细节特征的遮挡。图象容易识别和理解，从中可以直接给出象素 值、尺寸等物理信息，利用这些物理信息可以方便地建立产品的截面线几何模 型，然后用蒙面法重建出产品的三维几何模型。美国的i n t e 卿h 公司开发了将 工业c t 扫描数据转化i g e s 格式输出的软件，为工业c t 的使用提供了方便。 目前工业将工业c t 和m r j 获取数据的最小层厚是l 衄，工业c t 与m 方法 测量的精度与速度都较低，成本很高，对测量环境的要求也比较高，而且对测量 零件的材料和尺寸都有一定的限制。 与工业c t 相同，自动断层扫描仪也用于测量到产品的内部轮廓，所不同的 是它是一种破坏式的测量方法，不能用来对贵重或稀有的产品进行仿制。美国 c g i 公司研制的自动断层扫描仪是基于图象分析的方法提取轮廓数据，从而将三 西北工业大学傅士学位论文 第一章绪论 维测量转化为二维测量，对测量得到的图像经过物像坐标转换，得到截面的二维 轮廓数据，最后用蒙皮法生成产品的三维c a d 模型。测量的过程如下：首先将 测量物体放入一个开口的盒子中，倒入环氧树脂将被测物体固定在盒子中，然后 逐层切削，对每一个片层都进行拍照，对照片进行滤波、轮廓提取等处理，并根 据物一像坐标体系的标定获取截面的数据点的坐标值。与工业c t 相比，自动断 层扫描仪的精度较高，片层的最小厚度可达o 0 1 咖，测量精度可达o 0 2 咖，缺 点是测量速度较慢，而且最重要的是要破坏被测物体。 综上所述，几种主要的测量方法测量的原理、特点和适用范围都不尽相同。 实际上，运用这些方法得到的测量数据排列方式也不尽相同，例如：c m m 可按 照随机方式、扫描线方式分别得到散乱点云和扫描线点云；而激光三角形法得到 的是扫描仪点云；工业c t 和m r i 得到的是由平面内顺次相连的多边形构成的 多边形点云。 1 3 2 数据平滑 在测量过程中，由于测量过程中不可避免地受到人为或随机因素的影响，使 得测得的原始数据中包含有噪声。如果直接对这些含有噪声的数据进行拟合，很 难生成高质量的c a d 模型，所以需要对原始数据进行平滑。在逆向工程中，最 简单的平滑方法就是通过人机交互删去带有明显尖峰的“坏点”。这种“坏点” 幅值大，数量少，人机交互可以剔除它们。但对于大范围内带有随机误差的“毛 刺”样的噪声点，这种方法并不适用。本文将现有的平滑方法分为两类：一类是 基于数字信号处理的滤波方法，另一类是几何方法。滤波方法是将单值曲面中的 z 值看作数字图像中灰度值，运用标准高斯、平均或中值滤波1 8 删、n 点平均滤 波i g j 、自适应滤波【lo 】等滤波方法，对数据点进行平滑。这种方法需要在一定大小 的窗口内处理数据，只适用于规则排列的点云，对于没有建立拓扑关系的散乱点 云此方法难以直接运用。而且即使对于规则排列的数据，窗口的大小也很重要， 窗口太大可能会破坏如边界点、角点等特征点，导致边界模糊，给后续的数据分 区带来困难：窗口太小滤波效果也不好。几何方法是对数据点进行局部的拟合， 用拟合曲面上的数据点对原始数据点进行修正，李江雄【1 l 】利用h a r d y 提出的复合 二次插值函数，对邻域内的数据点构造插值曲面，再用插值曲面上的点修正原始 数据点。这种方法虽然可以适用于多值曲面，适用于散乱数据。但这里的邻域和 滤波方法中的窗口一样，其大小对光顺的效果很重要，邻域太大，计算量将大大 增加：邻域太小同样不能取得很好的平滑效果。简斌【1 2 j 提出了一种弦高比阈值法， 西北工业大学博士学位论文第一章绪论 该方法的思想是：给定一个弦高比的阈值，取点云数据中相邻的3 个点，然后根 据3 点所确定的三角形计算出其高度与弦长的比值，如果改比值大于给定的阈 值，则将该点滤除。这种方法只适用于扫描线点云。隋连升利用测量数据点与 相邻数据点差值的均方根来判断去除噪声点。 总之，数据平滑实际上是一个比较困难的问题。困难之处在于如何对散乱点 在保留特征点的情况下，实现数据平滑。值得一提的是，随着人工神经网络技术 的研究不断深入，人工神经网络已经从理论探索发展到了大规模的工程实际应用 阶段，由于神经网络具有容错性，可以直接处理含噪声数据等优点，已经被许多 学者用于逆向工程中的散乱数据拟合，这样就可以省去了数据平滑过程。 1 。3 3 数据精简 逆向工程中有测量设备得到的测量数据量非常大，过密的数据点一方面占用 较大的存储空间，另一