（计算机应用技术专业论文）逆向工程cad系统相关技术的研究与开发.pdf

逆向工程c a d 系统丰r 关技术的训 究j 开发 摘要 逆向工程技术是目前c a d 领域研究的重点问题之一。由于逆向工程技术呵 以处理目前商业c a d 系统难以处理的大规模海量测量数据的造型问题，因此受 到c a d 系统厂家、用户的广泛重视。本文对逆向工程c a d 系统的相关技术进 行了研究，内容包括海量点云数据的读入、存储和显示，海量点云数据的处理， 三角网格数据的特征线提取，三角网格数据的模型锐化。 本文主要研究了如下两个问题： 一、研究了海量点云数据读入存储技术，提出了一种新的读入海量点云数据 的算法，针对海量的点云数据，根据实际系统所运行的硬件条件，采用了分步读 入，即时简化的策略，给出一个易于操作实现，数据量可控制的算法。这样可以 使得海量点云数据的读取不依赖于计算机的性能，在内存不太大的计算机上也能 处理海量点云数据。 二、研究了三角网格数据的特征线提取以及锐化处理。由于从三角网格直接 生成曲面的质量不高，因此本文提出了个新的想法，先分析三角网格数据，提 取出三角网格的特征线，以特征线来作为后续操作的依据，在提取特征线的过程 中，本文又提出了对网格模型的锐化处理的算法，该算法有效的去除了网格模型 的倒角等质量不高，影响后续操作等信息，而使得网格得其他部分更好得识别。 关键词：逆向1 程，c a d ，海量点云数据处理，特征线提取，网格锐化 望婴三堡竺垒旦墨竺塑茎垫查竺鲨垒! 茎丝 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 so n eo fh o ts p o t si nc a da r e a s i n c er e v e r s ee n g i n e e r i n g t e c h n o l o g yc a np r o c e s sa n dm o d e lh u g ea m o u n to fm e a s u r e dd a t at h a tt a l b o tb e t r e a t e de f f i c i e n t l yi nc o m m e r c i a l l ya v a i l a b l ec o l n n _ 1 0 nc a d s y s t e m s ，m o r ea n dm o r e c a dv e n d o r sa n du s e r sa r ep a y i n ga t t e n t i o n st oi t w es t u d yt h et e c h n o l o g ya b o u t r e v e r s ee n g i n e e r i n gc a d i nt h i st h e s i s ，i n c l u d et h er e a d i n g ，s t o r i n g ，d i s p l a y i n go ft h e h u g ea n a o u n to f p o i n tc l o u d ，e x t r a c t i n gs p e c i a ll i n e sf r o m t h em e s h ，s h a r p e n i n go ft h e m e s h t h em a i ni d e ao ft h i st h e s i si s ： w es t u d yt h et e c h n o l o g yo ft h es t o r i n go ft h eh u g ea m o u n to fp o i n tc l o u d w e a l s oa d v a n c ean e w r e a d i n ga l g o r i t h m t h a tc a nr e a dd a t as t e pb y s t e pa n dr e d u c e a tt h e s a l t l et i m e t h ea l g o r i t h mc a l lb ec o n t r o l l e de a s i l ya n di t c a nr e a da c c o r d i n gt h e h a r d w a r eo f t h ep c s ot h ea l g o r i t h mw i l ln o tb el i m i t e db yt h ep c a n dc a nr u no nt h e p ct h a th a sn o te n o u g hm e m o r y w e s t u d yt h ee x t r a c t i n gs p e c i a ll i n e sf r o mt h em e s h a n ds h a r p e n i n go ft h em e s h b e c a u s et h es u r f a c et h a tc o m ef r o mm e s hd i r e c t l yi sn o ts ob e a u t i f u l ，w ea d v a n c ea n e wi d e a ，t h a ti sw ea n a l y z et h em e s ha n de x t r a c tt h es p e c i a ll i n e sb e f o r et h en e x t o p e r a t i o n s t h e n w ec o n s t r u c tt h es u r f a c ea c c o r d i n gt h es p e c i a ll i n e s a l s o ，w e a d v a n c ean e wa l g o r i t h mo fm e s hs h a r p e n i n g t h ea l g o r i t h mw i p e so f ft h eu s e l e s s m e s s a g e o ft h em o d e l sa n dt h ee x t r a c t i n gs p e c i a ll i n e sf r o mt h em e s h w i l lb ee a s i e r 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 ，c a d ，h u g e a m o u n to fp o i n tc l o u d ，e x t r a c t i n g s p e c i a ll i n e s ，m e s hs h a r p e n i n g 里旦三塑兰垒旦! ! ! 塑! 茎垫查竺型壅兰墅垄 1 1 逆向工程的概念 第1 章绪论 长久以来，工业产品的传统开发方式均是遵循严谨的研发流程：从产品需求 的构思、功能与规格预期指标的确定，进而到各个组件的设计、制造、组装、性 能测试等。每个组件都保留有原始的设计图，此设计图目前通常以c a d 文件的 形式来保存。这种开发模式被称为“预定模式”( p r e s c r i p t u r em o d e l ) ，此类开发 工程亦通称为“正向工程”( f o r w a r d e n g i n e e r i n g ) 。 然而，随着工业技术水平的提升以及生活水准的提高，任何通用性产品在消 费者对于高品质的要求下，功能上的需求已不再是赢得市场竞争力的唯一条件。 产品不单单是功能要先进，而且很多着重于产品的外观造型，这已不是传统的机 械工程师们所能胜任了。设计师们先通过手工方式塑造出模型，例如：蜡模、木 模、石膏模、粘土模、工程塑料模等等，然后再以三维尺寸测量的方式生成自由 曲面的c a d 文件，这就是所谓的“逆向工程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 。这时 摆在设计者和制造者面前的是实物样件，需要将实物模型转化为c a d 模型，因 为产品信息模型是实现c a d c a m 无缝制造技术的关键。 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整 以及没有c a d 模型的情况下，按照现有零件的模型( 产品原型或油泥模型) ， 利用各种数字化技术及c a d 技术重新构造c a d 模型而克隆或创造实物产品的 过程 1 ，2 1 。 由( 图1 。1 ) 可以很明确的看出正向工程与逆向工程的整个产品丌发流程。 逆向工程与正向工程的区别主要体现在逆向设计过程，即根据已有的产品样 件构造产品的数字模型和相关信息。从广义的角度分析，逆向工程不仅仅是简单 的再现产品原型，而是要进一步改进、提高产品原型的功能、外观。因此，广义 角度上讲的逆向工程包括多方面的内容：形状( 几何外形) 反求、工艺反求、材 料反求等方面都在逆向工程内容之列。从这个角度讲，逆向1 二程是一个复杂的系 统t 程。目前，国内外大多数有关“逆向工程”问题的研究都集中在几何形状， 即重建产品样件c a d 模型方面。在这一意义f ，“逆向工程”可定义为：是与 将产品样件转化为c a d 模型的相关数字化技术和几何模型重建技术的总称j 。 嬖旦王壁羔垒旦! ! ! 至翌：! 鲞塾查塑! ! 壅! ：j ! 墅垄 不满意 修改模型 图卜1f 向工程与逆向工程对比 1 2 逆向工程的应用领域及意义 最早，逆向工程主要被应用于航空航天和汽车工业，因为这两个领域对空气 动力学性能要求很高，在产品开发的开始阶段就要认真考虑空气动力性。常规的 设计流程首先根据工业造型需要设计出结构，制作出油泥模型之后将其送到风洞 实验室去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帮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的方法。首 先利用三维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进行处 理，即可获得c a d 模型。 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将逆 向工程这一技术引入到产品设计中去。以微软公司生产的鼠标器为例，就其功能 而言，只需要有三个按键就町以满足使用需要，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 意型 满骥 一 不修 堂旦三壁垒里垦竺塑茎垫垄塑竺壅兰互垄 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生成c a d 模型数据。当产品推向市场后，由于外观新颖、 曲线流畅，再加上手感出很好，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卜升。 如今，随着数字化测量设备的发展与使用，逆向工程在制造领域已经被广泛 的使用，常见的逆向工程应用范围包括： 模具样品开发：汽机车类、家电制品、运动器材、玩具、陶瓷等。 快速原型制作：古董、人像、艺术品、卡通人物、玩具等。 人体形状测量：人体外形测量、医疗器材制作等。 造型设计：立体动画、多媒体虚拟实景、广告动画等。 开展逆向工程c a d 系统软件开发问题的研究，是进一步推进逆向工程技术 的应用水平、加快我国产品创新设计的发展步伐所急需解决的重要工程。同时， 逆向工程c a d 系统和技术可广泛应用于：汽车、摩托车、家用电器等复杂产品 外形的修复、改造与创新设计；自然景物的计算机描述；人体拟合，如头盔、太 窄服等一些功能复杂、价格昂贵的产品的设计等。因此，这一研究具有广阔的 应用前景，尤其是对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、模具工业产品的快 速c a d 设计与制造水平，增强产品设计与制造中的高新技术含量，提高产品的 市场竞争能力，具有重要的实际意义和经济价值。 1 3 逆向工程c a d 系统 逆向工程c a d 建模是实现逆向工程的核心技术之一，是指从一个已有的物 理模型或实物零件产生出相应的c a d 模型的过程，这个过程的表现形式就是逆 向工程c a d 系统软件。逆向工程c a d 系统软件的主要作用是接收来自测量设 备的产品数掘，通过一系列的编辑操作，得到品质优良的曲线或曲面模型，并通 过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有c a d c a m 系统中，在这些系 统中完成最终的产品造型。由于无法完仝满足用户对产品造型的需求，因此逆向 工程c a d 软件很难与现有主流c a d c a m 系统，如c a t i a 、u g 、p r o e 、 s o l i d w o r k s 等抗衡【5 6 1 。 很多逆向工程软件成为这些c a d c a m 系统的第三方软件。如u g 采用 里l ! 三堡! 垒! 墨竺塑茎垫查塑婴窒! ! 堑茎 l m a g e w a r e 作为u g 系列产品中完成逆向工程造型的软件，p r o e 采用i c e ms u r f 作为逆向：i ：程模块的支撑软件。此外还有一些独立的逆向 二程软件，如g e o m a g i c 等，这些软件一般具有多元化的功能。如g e o m a g i c 除了处理几何曲面造型以外， 还可以处理以c t 、m r i 数据为代表的断层界面数据造型，从而使软件在医疗成 像领域具有相当竞争力。另外一类逆向工程软件作为一个整体系列软件产品中的 一部分，无论从数据模型还是几何引擎均与系列产品中的其他组件保持一致，这 样做的好处是逆向工程软件产生的模型可以直接进入c a d 设计或加工模块中， 实现了数据的无缝集成，这类软件的代表是d e l c a m 公司的d e l c o p y 软件。 下面介绍几个比较著名的逆向工程c a d 软件。 g e o m a g i c ( w w w g e o m a g i c c o r n l 美国r a i n d r o p 公司的逆向工程c a d 软件，具有丰富的数据处理手段，可以 根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。软件的应用领域包括了从工业设 计到医疗仿真等诸多方面，用户包括通用汽车、b m w 等大制造商。 i m a g e w a r e ( w w w i m a g e w a r e c o r n ) 作为u gn x 中提供的逆向工程造型软件，i m a g e w a r e 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。根据这些 点云数据构造的a 曲面( c l a s sa ) 具有良好的品质和曲面连续性。l m a g e w a r e 的模型检洲功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的 误差以及平面度、真圆度等几何公差。 i c e m s u r f ( w w w i c e mc o m ) i c e ms u r f 是p t c 公司的开发的一款逆向工程造型软件。i c e ms u r t 是一个 a 级自由曲面的构造工具，它的最主要特点是直接构造曲面( 无须先构造曲线) 和曲而质量的动态评价( 曲面调整中的曲面诊断结果动态更新) ，汽车、摩托车 外覆盖件，内饰件等自由曲面用它来构造是游刃有余。但最好有比较完整的测量 数据，当然1 c e ms u r f 也可以用于构造曲面的设计t 。i c e ms u r f 还能把点云数 据自动转换成三角形面片模型，可以用它来求任意截面线、边界线和特征线，也 可以用它来做快速成型或n c ) n i 编程。但这个面并不是一个传统意义l 二的曲面 模型。 c o p y c a d ( w w w d e l c a m t o m l _ 茎堑 ! ! i 竺旦至竺塑茎垫查塑! 壅! 墅垄 d e l c o p y 是英国d e l c a m 公司系列c a d 产品中的一个，主要处理测量数据的 曲面造型。d e l c o m 的产品涵盖了从设计大制造、检测全过程。包括p o w e r s h a p e 、 p o w e r m i l l 、p o w e r l n s p e c t 、a r t c a m 、c o p y c a d 、p s - - t e a m 等诸多软件产 品。作为一个系列产品的一部分，c o p y c a d 与系列中的其他软件可以很好地集 成，为用户的使用提供方便。 r a p i d f o r m ( w w w r a p i d f o r m c o r n l r a p i d f o r m 是由韩国i n u s 公司开发的逆向工程c a d 软件。主要用于处理测 量、扫描数据的衄面建模以及基于c t 数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品 的测量建模以及高级图形生成。r a p i d f o r m 提供一整套模型分割、曲面生成、曲 面检测的工具，用户可以方便的利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到 新的模型重构过程中。 以e 介绍的几款逆向工程c a d 系统软件都是国外的产品。国内在逆向工程 c a d 系统软件方面虽然也有研究，但是由于这些研究性软件在系统稳定性、可 操作性等方面的原因，只是一些原型系统、实验系统，还不是能真正用于生产的 商、【k 化软件。逆向工程c a d 系统软件的研究主要集中在几所高校，如清华大学、 浙江大学、南京航空航天大学等。 1 4 三维空问数据场 逆向工程技术所处理的数据来源于许多应用领域。随着应用领域的不通，数 据来源的不唰，所需要观察的数据也很不相同：在医学e ，c t 扫描，核磁共振 等设备用来产生人体器官密度场，对于不同的组织，表现出不同的密度值；在工 业无损探伤检测中，利用超声波探测获得的数据；在地质勘探，石油勘探中，利 用模拟人1 二地震的方法获得的地下岩层信息利资源信息；飞行器高速穿过大气层 时其周围气流的运动情况及b 行器表面物理特性的变化和在核爆炸模拟的高温 高压物质状态的动态变化等产生的大量数据；在气象场、温度场、力场、有限元 分析、流体力学等三维数据。而实现逆向工程的算法却与数据类型有极人的关系。 凶此，我们有必要关注一下三维空间数据。 j 望旦王童坚兰旦墨! 塑茎垫查堕型壅! 堑茎 1 4 1 三维数据获取技术 图1 2 三维空间数据获取方式 在逆向工程技术中，三维空间数据的采集是关键的第一步，它是逆向工程的 基础。只有状取测量数据，才能进行误差分析和曲面比较，进一步进行曲面重建 ( c a d 建模) ，同时采样点的分布和数量也直接影响这后续曲面重建方法的效率和 重建曲面的品质。三维离散数据的质量是影响可视化技术应用的重要因素之一。 现有的三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式与非接触式。 接触式测量是指利t ； 接触式测量仪器对实物外表面进行测量。在接触式测量 方法中，机械坐标测量机( c m m ) 是一种发展较为成熟的测量设备，它是利用传 感器实现测量头在工件上移动，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分泰点，从而记录下路径点的坐标值。它具有噪声低、精度 高( 可达o 5t im ) 、重复性号等优点；但测量速度慢、效率低，摩擦力和弹性变形 的存在容易引起模型变形产生测量误差，对软体对象难以做精密测量，需要对测 头表面损伤和测头半径进行补偿，而且对测头不能触及的细微表面是无法测量 的，不易获得连续的坐标点。测量数据的特点是高精度、低密度。 非接触式测量法在医学领域被广泛应用。医学上对病人进行无损伤诊断常用 的设备主要包括计算机断层扫描机( c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ，简称c t ) 、核磁 堡旦二堡! 垒里墨竺塑鲞垫查塑竺塑兰堑丝 共振( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ，简称m r i 或n m r ) 、单光子断层成 像( s i n g l e p h o t oe m i s s i o n c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称p e c t 或p e t ) 、超声 ( u l t r a s o n i c ，包括a 超和b 超) 等等。非接触式测量法根据作用方式的不同， 非接触式测量法可分为光学法、c i 、超声波法和核磁共振( m r i ) 等。随着机 器视觉技术和光电技术的发展，采用光电方法的非接触测量技术得到迅速发展， 新的测量技术入激光技术、材料转移的光谱技术、三维全息照相显示技术不断的 涌现，相应的测量方法有相位法，深度图象法，全息法，激光三角形法等。相位 法测量基本原理是将周期性的光栅投影到被测曲面上，受到被测曲面轮廓高度的 调制，光栅影线发生变形，解调变形光栅图象，建立变形光栅图象与被测曲面轮 廓高度的函数关系，求出被测曲面形状的三维信息【7 1 ，测量原理及光路结构简单。 相位值的解调有相移法和傅立叶分析法。傅立叶变换是数字图象处理中最基本和 有效的频域分析方法，采用频谱分析手段解调曲面三维信息，速度快，捡测自动 化程度高。相位法测量的优点是速度快，测量范围大，成本低；缺点是只能测量 起伏不大的较平坦的曲面，曲面变化剧烈的地方，会出现大的偏差，测量精度较 低。基丁二几何光学三角形原理的激光三角形法是目前应用最广泛的非接触式测量 方法。三角测量的基本原理是由半导体激光器发出的激光通过聚光透镜在被测曲 面上结成光点并反射，光敏元件( 如p s d ) 接收其散射光，根据其在p s d 上的 位置，即可铡出被测点的窄问坐标。在激光三角测量原理的基础上，根据具体测 量系统与原理升i 同，又有不同的测量方法：激光位移计【8 1 ；激光双三角测量法 9 1 ； 同轴薄透镜成像原理等。 目前市场上已商品化的光学二维测量系统有：英国3 ds c a n n e s 公司生产 的r e v e r s a 激光测头，h 本m i n o l t a 公司生产的v i v i d 7 0 0 ，台湾智泰生产的 i s h 四轴激光扫描系列设备等，这类设备的扫捕速度可达每秒1 5 0 0 0 点，测量精 度高。由于近年在分区域测量技术上的突破，使得相位法的测量精度得到迸一步 地提高，现已有较为实用地系统面世，如德国g o m 公司地a t o s 流动光学i 坐 标测量系统，测量速度大于每秒4 3 0 0 0 点，单帧精度为0 0 3 r a m ，整体测量精度 人于0 1 m m m 。 些型三坚羔型三! ! ! 塑差垫坐塑! 窒生茎垄 1 4 2 三维空间数据 三维空间数据亦称为体数据。简单的说，体数据就是包含对象内部信息的三 维实体。它不同于传统的图形数据，它包含的信息更丰富、更完整，而且更适合 于表示不规则的( 象生物组织、山脉、树木等) 与无形的目标( 烟云等) 。例如， 三维c t 体数据包括着对应位置处生物组织的密度信息，这是无法用点、线、面 来表示的。如前所述，体数据的来源丰富多样，数据量及数据形式也随之有较大 的不同。体数据根据其三维空间上离散数据间的连接关系可分为：( 1 1 结构化数 据；( 2 ) 非结构化数据；( 3 ) 结构化和非结构化混和型数据。结构化数据是在逻辑 上组织成三维数组的空间离散数据，即这些空间离散数据的各个元素具有三维数 组各元素之间的逻辑关系，每个元素都可以有它自己所在的层号、行号和列号。 非结构化数据由一系列的单元构成，这些单元可以是四面体、六面体、三棱柱或 者四棱柱等，但它不能组织成三维数组。 1 5 本文主要研究内容 逆向工程是c a d 中的重要问题，从已知的采样数据点出发，构造出物体的 c a d 模型，它是对物体进行分析、计算、进一步设计修改的根据，是进行c a d 设计的重要工具。 通常，c a d 模型的重建按照如下的步骤进行： 1 对读入的采样数据点进行预处理，压缩数据量，去除噪声； 2 从点云数据构造_ 三角网格，让散乱的点云转化成为具有简单拓扑结构的_ 二= 二 角网格数据； 3 对构建的三角网格数据进行多种处理，最终生成c a d 系统能够接受的曲 线曲面等数据结构。 本文的论述的重点在于上述c a d 模型重建过程中所涉及到的海量点云数据 的读入存储利处理技术，三角网格数据的特征线提取和模型锐化算法。并在已有 工作的基础上进行了创新和改进。 本文的主要研究内容及创新如下： 1 研究了海量点云数据读入存储技术，提出了一种新的读入海量点云数据 逆向工程c a d 系统相关技术的研究与开发 的算法，针对海量的点云数据，根据实际系统所运行的硬件条件，采用 了分步读入，即时简化的策略，给出一个易于操作实现，数据量可控制 的算法。这样可以使得海量点云数据的读取不依赖于计算机的性能，使 得在内存不太大的计算机上也能处理海量点云数据。 2 研究了三角网格的特征提取以及锐化处理。由于从三角网格直接生成曲 面的质量不高，因此本文提出了一个新的想法，先分析三角网格数据， 提取出三角网格的特征线，以特征线来作为后续操作的依据，在提取特 征线的过程中，本文又提出了对网格模型的锐化处理的算法，该算法有 效的去除了网格模型的倒角等质量不高，影响后续操作等信息，而使得 网格得其他部分更好得识别。 本文在结构上共分五章，具体安排如下： 第一章对逆向工程c a d 系统的作了一个介绍，阐述了逆向工程的概念，应 用领域；介绍了逆向工程c a d 系统；研究了三维空间测量数据；最后列出本文 主要的研究内容。 第一章描述了海量点云数据的读入、存储、显示以及相关技术。研究了海量 点云数据读入存储技术，提出了一种新的读入海量点云数据的算法，针对海量的 点云数据，根据实际系统所运行的硬件条件，采用了分步读入，即时简化的策略， 给出个易于操作实现，数据景可控制的算法。 第二章研究了三角网格的特征提取以及锐化处理。本文提出了一个新的想 法，先分析二角网格数据，提取出三角网格的特征线，以特征线米作为后续操作 的依据，在提取特征线的过程中，本文又提出了对网格模型的锐化处理的算法， 该算法有效的去除了网格模型的倒角等质量不高，影响后续操作等信息，而使得 网格得其他部分更好得识别。 第四章介绍了本文所设计开发的逆向工程c a d 系统r e p l a t f o r m ，r e p l a t f o r m 4 i 仅实现了前两章 内容的算法，而且扩充成为一个完整的平台，有着对各种格式 数据的输入输出，完整的显示操作。以及一些其他处理功能。 第五章我们对全文进行了总结，并指出了以后进一步的研究方向。 望塑i ! 坠兰旦! ! ! 塑茎垫查堕型壅! ! 堑丝 第2 章 海量点云数据读入存储及预处理 随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发 展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字 化测量设备( 如坐标测量机、激光测量设备等) 获驳的物体表面的空间数据，需 要利用逆向工程c a d 技术获得产品的c a d 数学模型，进而利用c a m 系统完成 产品的制造叫。 逆向工程要处理的是空间无序的海量数据点，这样的数据点有个形象的名称 点云数据。现在随着三维扫描设备的发展，得到的测量数据点数量也越来越 大，一下获得几- f 万甚至上百万的测量数据点是很常见的事情。如此海量的点云 数据，带来的好处是显而易见的，可以把模型上微小的特征全部获取，但对于处 理系统，则是很大的一个障碍。如何利用有限的计算机资源来读取、显示和处理 海量点云数据是所面临的一个重要的问题。 2 1 海量点云数据的读入 2 1 1 系统的输入 各种软件都有自己定义和设计的文件格式，f 面首先介绍本文丌发的逆向工 程c a d 系统所兼容的数据文件格式，并讨论逆向t 程c a d 系统的各种点云数 据数据格式之问的转换接口。 我们丌发的系统，最基本输入的点云数据是+ 种扩展名为x y z 的文件。x y z 文件是一种格式简单的文本文件，文件中保存了所有测量数掘点的信息。分析一 f 文件格式，可以看出，文件的每一行表示一个点，每个点分别记录了测量点的 x 、y 、z 坐标，在行中以分隔符隔开。x y z 文件中保存t n 量得到数据信息， 它仅仪含有测量所得到的每个点的坐标，并没有法向或者拓扑结构等附加信息。 我们所读入的数据也就是一个个孤立的，仅含有坐标位舞的点。这也是逆向工程 软件所要处理的对象。 为了增加系统的兼容能力，我们还接受来自i g e s 文件中的点云数掘，系统 同时具有转换这两种数据格式的能力。 0 塑墅里墨竺塑差垫查竺堑壅! ! i ! ：! ：丝 2 1 2 数据量上限的计算 海量点云数据的读入，其最大的制约在于内存大小的制约，虽然p c 机的内 存大小可以随着硬件的发展而增加，从以前的6 4 0 k 内存到现在以g 为单位的内 存，发展可谓是突飞猛进，但是从三维测量仪所的得到的三维数据确以更高的速 度增长，单纯靠增加硬件，发展硬件无法满足需求，必须在软件算法上寻求一个 大的突破。 分析了系统对海量数据的最大的制约在于内存的大小，所以我们的算法就必 须基于内存的容量来进行开发。算法摇述如下： 首先确定一个值s ，这是一个经验值，表示每m 内存约可容纳的点数据的数 量，这是一个常量，其大小由点的定义所决定，在编程阶段就可以确定该值的大 小。确定了一个常数值s 后，系统必须要知道所运行的p c 上可使用的内存大小， 我们使用系统的a p i 函数g l o b a l m e m o r y s t a t u s ( ) 来获取系统可用内存的数量m 。 于是，我们就可以根据公式p 一。5 。m 求出系统所能接受的最大量的数据点数 p m 缸。 2 1 3 智靛自适应跳跃算法 我们采用一种叫做智能自适应跳跃的算法来读入海量的数据，该算法最大的 特点是，当数据量在系统可以接受的能力以内，可以快速的将所有测量数据读入 系统。而当测量数据远远大于系统的接受能力时候，照样可以很好的工作，在尽 量充分利用系统资源的情况下，保持着高速的读入速度，对数据进行筛选，虽然 是一种对数据的有损读入算法，但是由于充分利用了扫描数据的特点，其效率和 效果在同类算法中是相当不错的。 该算法思路如下： 】进行系统的初次读入操作，依次从文件读入数据点，一直达到系统的数 据量上限为止。 2 对读入的数据进行处理，将系统巾的数据点序号为偶数的从系统中释放， 经过此次操作，系统中会空出半的空问。 3 进行补充读入操作，继续从文件中读入数据到系统，但是每读取1 个数 逆向工程c a d 系统相关技术的研究与丌发 据点，跳过个x 个数据点，x 的值由以下公式确定： x = 2 ”一1 ( n 为此次进行第n 次补充读入操作1 若系统还没达到数据量上限已经将文件中数据读完，则算法结束；否则 一直读到达到系统数据量的上限才停止。 4 从步骤2 的操作开始重复。 2 1 4 实验结果 我们分别测试了在我们的系统中，智能自适应跳跃算法在读入数据的时候， 非满负荷及满负荷情况下所表现出的性能。本文的测试硬件及操作系统环境如 下 c p uc e l e r o n l - 8 g r a m2 5 6 m o s w i n d o w s 2 0 0 0 + s p 4 我们分别让系统读入数据量大小不同的多个数据，其各自所需的时间如下： 测量数据点数量 8 1 7 2 97 8 3 5 2 22 0 0 1 4 2 73 7 5 1 1 8 2 读入所需时间 0 8 7 7 s1 2 5 2 4 s4 0 2 6 8 s9 6 6 5 3 s 从测试所得数据我们可以分析出，读入速度在数据量小的时候，也就是数据 没有达到系统满负荷时大致为1 0 0 0 0 0 点秒，在数据量大，系统满负荷的时候， 是5 0 0 0 0 点秒，从中可以看出，我们算法表现出了较好的性能。 2 2 海量点云数据的存储和显示 2 2 - 1 点云数据的定义与存储策略 在我们的系统中，虽然读入的点只含有空间三维坐标这么- 4 、唯一的信息， 但我们定义的每个点不仅仅含有三维坐标的信息，还增加了一个点法线的变量， 为了方便以后的处理。同时为了以后的处理，增加了一个标志位。因此，我们系 统中定义的点是包含三维空间坐标和法向信息，标志信息以及。系列操作的一个 类。 点云则表示为点的数组，采用数组而不使用灵活的链表的原因很简单，由丁 塑三堡曼竺墨竺塑薹垫查塑业窒兰墨茎 点云中的点的数量是海量的，不采用连续存放的话，每次访问都要进行遍历，这 将是一个非常耗费时间的操作，因此把点云表示为点的数组，同时包括一系列应 用在点云数据上的操作。 2 2 2o p e n g l 的应用 o p e n g l 是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在s g i 等 多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以s g i 的g l 三维图形库为基础制定的一 个通用共享的开放式三维图形标准。目前，包括m i c r o s o f t 、s g i 、i b m 、d e c 、 s u n 、h p 等大公司都采用了o p e n g l 做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷 以o p e n g l 为基础开发出自己的产品，其中比较著名的产品包括动画制作软件 s o f ti m a g e 和3 ds t u d i om a x 、仿真软件o p e ni n v e n t o r 、v r 软件w o r l dt o o lk i t 、 c a m 软件p r o e n g i n e e r 、g i s 软a r c i n f o 等等。值得一提的是，随着m i c r o s o f t 公司在w i n d o w sn t 和最新的w i n d o w s9 5 中提供了o p e n g l 标准及o p e n g l 三 维图形加速卡的推出，o p e n g l 将在微机中有广泛地应用，同时也为广大用户提 供了在微机卜| 使用以前只能在高性能图形工作站上运行的各种软件的机会。 o p e n g l 实际上是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系 统，以它为基础丌发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；o p e n g l 可 以与v i s u a lc + + 紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保汪算法 的正确性和可靠性；o p e n g l 使用简便，效率高。它具有七大功能： 1 ) 建模 o p e n g l 图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复 杂的三维物体( 球、锥、多面体、茶壶等) 以及复杂曲线和曲面( 例如b e z i e r 、 n u r b s 等曲线或曲面) 绘制函数。 2 1 变换 o p e n g l 图形库的变换包括基本变换和投影变换。基本变换有平移、旋转、 变比镜像四种变换，投影变换有平行投影( 义称正射投影) 和透视投影两种变换。 其变换方法与机器人运动学中的坐标变换方法完全一致，有利于减少算法的运行 时间，提高三维图形的显示速度。 3 1 颜色模式设置 些旦三垦兰垒旦! ! ! 塑茎垫查塑! f 塑兰茎垄 o p e n g l 颜色模式有两种，即r g b a 模式和颜色索引( c 0 1 0 r i n d e x ) 。 4 ) 光照和材质设置 o p e n g l 光有辐射光( e m i t t e dl i g h t ) 、环境光( a m b i e n tl i g h t ) 、漫反射光 ( d i f f u s e l i g h t ) 和镜面光( s p e c u l a rl i g h t ) 。材质是用光反射率来表示。场景 ( s c e n e ) 中物体最终反映到人眼的颜色是光的红绿监分量与材质红绿蓝分量的 反射率相乘后形成的颜色。 5 ) 纹理映射( t e x t u r em a p p i n g ) 利用o p e n g l 纹理映射功能可以十分逼真地表达物体表面细节。 6 ) 位图显示和图象增强 图象功能除了基本的拷贝和像素读写外，还提供融合( b l e n d i n g ) 、反走样 ( a n t i a l i a s i n g ) 和雾( f o g ) 的特殊图象效果处理。以上三条可是被仿真物更具 真实感，增强图形显示的效果。 7 ) 双缓存动画( d o u b l e b u f f e r i n g ) 双缓存即前台缓存和后台缓存，简而言之，后台缓存计算场景、生成画面， 前台缓存显示后台缓存已画好的画面。此外，利用o p e n g l 还能实现深度暗示 ( d e p t hc u e ) 、运动模糊( m o t i o nb l u r ) 等特殊效果。从而实现了消隐算法。 在处理海量点云数据的显示时候，我们主要使用了o p e n g l 的显示列表技术。 显示列表是存储起来的用于稍后执行的组o p e n g l 命令。激活一个显示列表 后，就可以按照显示列表中预先安排好的次序米执行其存储的命令，大部分的 o p e n g l 命令都可以存储在显示列表之中。由于多次重新绘制刊一个几何体，所 调用的o p e a g l 命令每次都相同，这样，我们就可以把频繁使用的o p e n g l 命令 存入显示列表，来提高程序对海量点云数据显示的性能。 2 。2 3 点云数据的显示 点云数据是三维的，因此需要从不同的角度对之进行观察和研究，而计算机 显示屏幕却只是二维的，尽管我们可以通过设置景深的灰度米展现整个画面的纵 深感，但要想观测到三维对象的不同侧丽，这还足不够的。既然观察者的位置是 固定的，我们就要想办法让图形对象动起来。所以在系统设计中，我们设冠了平 移、旋转操作功能。很多情况f ，想知道画面细箝，对画面的局部地方进行很清 1 4 墅翌堕垒里墨竺塑茎垫查塑! f 窒：! ! 茎垄 楚的观察、操作，因此需在这个软件加入了相应放缩功能，平移、旋转、放缩能 方便的地进行用户交互，它们通过图形变换实现的。图形变换是计算机图形学的 基础知识之一，是图形显示过程中必不可少的一个环节。通过图形变换，可由简 单的图形生成复杂的图形，可用二维图形表示兰维形体，町对静态图形经过快速 变换而获得图形的动态显示效果，变换本身也是描绘图形的一个有力工具。 为了建立三维空间中的几何变换，首先得建立三维坐标系，本文设计采用的 是右手坐标系，即当拇指与某一坐标轴同向时，四指所指的方向为该轴的正的旋 转方向。图2 1 说明了右手坐标系中的旋转方向。正确选择坐标系对于几何变换 菲常蕈饔。 2 旋转轴疋的麓转育囱 x y 啼z y z x 。 ： x 啼岁 x 7 图2 一l 三维坐标系 三维图形的几何变换矩阵可用丁妇表示，其表示式如下： a l l 口2 1 a 3 i 以4 1 a 】2 a 2 2 a 3 2 a 4 2 a 1 3 口2 3 a 3 3 a 4 3 a 】4 口2 4 口3 4 口d d 从变换功能上乃d 可以分成四个子矩阵，其中：j a ：i ，。：4 ：。3f 产生比例，旋转， l1d 】2口1l l 吩1 a 3 2a 3 3j 错切等几何变换；k 。，。：a 。，产生平移变换；i a l 4 产生投影变换；k 。，产生 平移变换将点j p 阢卫z ) 在三个坐标轴方向上分别移动距离k ，0 ，l z ，得到新 的一点p 一：y ：z ，它们之间的关系表示为：尸= ，+ 丁，其中t = p ，r ，r ：j 。 ! ! 翌：堡竺墨竺塑差垫查塑坐窒兰茎垄 如下图所示 10 01 00 t 。tv 00 00 10 f ：1 ( x 。，。z z工 图2 2 三维平移操作 0 ) 2 ) 比例变换 若比例变换的参考点为( 琢琢劲，在x ，y ，z 轴方向的缩放比例依次为如， 卸，岛，其变换矩阵为： 。，一。麓。，。，一jiiy， 在右手坐标系下相对坐标系原点绕坐标轴旋转p 角的变换公式是 绕x 轴旋转 绕y 轴旋转 绕z 轴旋转 loo 0c o s 占s i n 口 0 一s i n 目c o s 臼 o00 c o s 00 一s i n 目 010 s i n 00c o s 臼 000 c o s 口s i n 臼0 一s i n 0c o s p 0 001 000 z o o 已嘞 一 ( 0 o o 1 o o 0 1 o o o 1 垩旦二堕旦里墨竺塑茎垫生堕! 壅i ! 茎垄 通过三维坐标变换，就可以实现三维点云数据在平移，缩放，绕坐标轴旋转 时的显示问题。 2 3 点云数据的预处理 2 3 1 概述 经过各种测量方法得到的测量数据通常是以“点云”的形式存在的，一般情 况下都是以高密度形态存在，根据“点云”中的分布特征可以将点云分为： 散乱点云：测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态，随机扫 描方式下的c m m 系统的测量数据就是这种状态。 扫描线点云：就是扫描线上的点云都位于扫描平面内，激光线扫描方式 所得到的测量数据呈现这种状态。 多边形点云：测量点分却在一系列平行平面内，用小线段将同一平而内 聚力最小的若干相邻点以此连接可形成一组平面多边形。例如c t 测量 的点云。 形成以上不同点云状态是由于测量方法的不同所造成的，就一般我们所采用 输入的点云数据来说，得到的基本都是散乱的点云，并且这些点云的数据密度大， 对于一般的逆向1 ：程c a d 系统或c a d c a m 软件来说处理起来十分困难，往往 不能直接处理这样的大密度“数据点云”，并日由于噪声等其它因素的影响使得 所获取的数据的置信度受到影响。