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光学三维形体检测及重构研究摘要 摘要 高精度数据的获取是逆向工程成败的关键，各种数字化设备的出现和实用化 是推动逆向工程不断走向发展和成熟的动力来源。目前，通过与c a d c a m 结合， 光学三维检测技术因其具有非接触、无损、高精度、高效率等特性，在工业产品 设计制造领域已取代接触式测量成为逆向工程的数据获取和最终产品质量检验 的主要手段。本文工作依托上海市光科技专项课题“先进制造中的光学三维传感 与重建系统研制”，以光栅投射测量系统在逆向工程中的应用为出发点研究了条 纹图处理、曲面重构和逆向工程软件设计等相关技术，希冀在该系统的实用化、 商业化过程中不断完善相关测量方法和逆向工程系统。 本文研究工作重点包括以下三个方面： 1 、基于小波分析的条纹图位相求解技术研究 相移法( p h a s e s h i f t i n g ) 和傅里叶变换法( f o u r i e rt r a n s f o r m ) 是从条纹图 中提取位相分布的两种常用技术，但是这两种方法都需要一个解包裹( p h a s e u n w r a p p i n g ) 的过程来恢复真实位相，这导致了许多问题。其中傅里叶变换法的 精度还受到边缘效应和滤波器设计、选择的影响。为消除这些局限性，结合光栅 投射技术中的条纹图位相分析，本文提出了基于小波分析的条纹图位相求解算 法，并以m a t l a b 语言编写了相关程序。该算法利用连续小波变换系数的模极大 值确定被测物面的位相梯度，通过积分得到位相分布，从而避开了位相解包裹的 相关问题，削弱了边缘效应的影响又保持了单幅条纹图处理的优越性。模拟和实 验验证了该算法的可行性和适用性。本文将该算法与常用的傅里叶变换法和相移 技术做了比较，结果表明该算法优于傅里叶变换法。 2 、逆向工程中的曲面重建研究 光栅投射测量技术具有全场、非接触、无损、高精度、高效率等特性，可以 有效地满足逆向工程对高精度数据快速获取和快速建模的要求。由于光栅投射测 量系统测量得到的点云数据是按截面方式分布的。据此，详细研究分析了用 s k i n n i n g 方法将测量得到的点云数据重构成n u r b s 曲面模型的三维建模技术。 s k i n n i n g 算法具有原理简单、生成参数曲面速度快等优点。本文阐述了s k i n n i n g 的插值型和逼近型两类算法的思想，进行了详细的分析和比较，并以c + 十语言编 制了相关算法程序，成功地实现了将实际测量得到的头像点云重构成n u r b s 曲面 模型。 3 、逆向工程软件设计 从上海大学应用光学与测量实验室研制成功的基于光栅投射测量技术的光 学三维传感与重建系统的实用化和商业化出发，提出为该仪器开发具有自主知识 产权的逆向工程软件系统的设想，进行了方案比较、需求分析，对该软件系统进 行了总体设计，并编程实现了相关算法和主体功能。该软件定位为专门类逆向工 程软件，具有成本低、可移植性强、专门、灵活等优点。它可以增加仪器的附加 值，未来研究中进一步完善后将具有巨大的商业价值。 关键词：光栅投射技术，小波变换，条纹图像分析，逆向工程，曲面重建 上海大学硕士学位论文 光学三维形体检测及重构研究a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sak e ys t e pi nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e ) t oa c q u i r e p h y s i c a l d a t aw i t hh i g h p r e c i s i o n a n d i ti sa l s oa n i m p o r t a n t s t i m u l a t i v ef o rt h e p r o g r e s s o fr e v e r s e e n g i n e e r i n g t h a tv a r i o u s d i g i t i z i n g d e v i c e sa r e i n v e n t e d ，d e v e l o p e d a n dm a d e a p p l i c a b l e r e c e n t l y ，o p t i c a lt h r e ed i m e n s i o n a l ( 3 d ) m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ，w h o h a v et h em e r i t ss u c ha s n o n c o n t a c t ，n o n - d e s t r u c t i v e ，g e n e r a l l ya c c u r a t c ，e m c i e n t e t c ，s u p e r s e d e dt h ep h y s i c a lc o n t a c tm e t h o d s a n dh a v eb e e nt h em a i ni n s t r u m e n tb o 也 f o rd a t aa c q u i s i t i o ni nr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n df o rq u a l i t ye v a l u a t i o ni nq u a l i t yc o n t r o l t h r o u g hc o m b i n a t i o nw i t hc a d c a mi nm a n u f a c t u r i n ga n dd e s i g ni n d u s t r i e s t h e m a i np u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d ya n di m p l e m e n tt h ea p p l i c a t i o no fa3 d m e a s u r i n gs y s t e mb a s e d o ng r a t i n g p r o j e c t i o nt e c h n i q u e i nr ea n di t sr e l e v a n t t e c h n i q u e st o m a k et h et e c h n i q u ee x c e l s i o ra n dm a k et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p e r f e c t ，a n dt h ew o r ki s ap a r to ft h ep r o j e c to p t i c a l3 d s e n s i n ga n d r e c o n s t r u c t i o n s y s t e m f o ra d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g , w h i c hi ss u p p o r t e db y t h es c i e n c ef o u n d a t i o no f s h a n g h a im u n i c i p a lc o m m i s s i o n o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h i sp a p e rl a y sa s t r o n ge m p h a s i so n t h r e ea s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 s t u d yo np h a s e d i s t r i b u t i o ne v a l u a t i o n t e c h n i q u eb a s e do nw a v e l e ta n a l y s i s t h ep h a s e s h i f t i n gm e t h o da n dt h ef o u r i e rt r a n s f o i t nm e t h o da r et w o p o p u l a r t e c h n i q u e s f o r e x t r a c t i n g t h e p h a s em a p ，y e tb o t ho ft h e mn e e da nu n w r a p p i n g o p e r a t i o nt o r e t r i e v et h er e a l p h a s ed i s t r i b u t i o n ，w h i c h1 e a d st os e v e r a ld i f f i c u l t i e s f u r t h e r m o r e ，t h ea c c u r a c yo f t h ef o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o di sa l s oi n f l u e n c e ds e v e r e l y b ye d g e e f f e c ta n df i l t e r t oo v e r c o m et h e s el i m i t a t i o n sa n da c c o r d i n gt o p h a s e d i s t r i b u t i o na n a l y s i so ff r i n g ep a t t e r ni ng r a t i n gp r o j e c t i o nt e c h n i q u e ，a na l g o r i t h m b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no ft h ec o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ( c w t ) i sp r e s e n tt o r e t r i e v et h eo r i g i n a lp h a s em a pa n dr e l e v a n ta l g o r i t h m sa r ep r o g r a m m e db ym a t l a b l a n g u a g e i nt h em e t h o d ，p h a s eg r a d i e n t sf r o mt h ef r i n g ep a t t e ma r ee x t r a c t e dd i r e c t l y b yt r a c k i n gt h em a x i m u m m o d u l u so ft h ec w tc o e m c i e n t so ft h ei m a g e a n d p h a s e d i s t r i b u t i o ni so b t a i n e dt h r o u g hi n t e g r a t i o no ft h ep h a s eg r a d i e n t s t h u s t r o u b l e s s u f f e r e df r o mp h a s eu n w r a p p i n ga r ea v o i d e di nt h em e t h o d ；m o r e o v e r , t h ea d v a n t a g e s o f e x t r a c t i n g t h ef u l l p h a s e d i s t r i b u t i o nf r o mi u s tas i n g e i m a g ea r er e t a i n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ea p p l i c a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o da c o m p a r i s o na m o n g t h ec w t m e t h o d ，t h ec l a s s i c a lf o u r i e rf f a n s f o n nm e t h o da n dt h e s t a n d a r d4 - s t e p p h a s e s h i f t i n gm e t h o di sg i v e n ，w h i c hc o n f e s s e st h a tt h em e t h o d a c c u r a c yi sh i g h e rt h a nf o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o d 2 s t u d yo n s u r f a c er e c o n s t r u c t i o ni nr e v e r s ee n g i n e e r i n g g r a t i n gp r o j e c t i o nm e a s u r i n gt e c h n i q u e h a s m a n y m e r i t ss u c ha s f u l l - f i e l d ， n o n c o n t a c t ，n o n d e s t r u c t i v e ，g e n e r a l l ya c c u r a t e ，e m c i e n te t c ，w h i c hm a k e i tm e e tt h e n e e do fr ef o rf a s td a t aa c q u i s i t i o nw i t hh i g hp r e c i s i o na n d r a p i dg e o m e t r i cm o d e l i n g t h ep o i n td a t aa c q u i r e df r o mt h eg r a t i n gp r o j e c t i o n - b a s e dm e a s u r i n gs y s t e mi nt h i s w o r ka r ed i s t r i b u t e db yc r o s s - s e c t i o n s a3 dm o d e l i n gt e c h n i q u e ，n a m e ds k i n n i n g ， h e r e b yi ss t u d i e da n da n a l y z e di nd e t a i l a n di su s e dt or e c o n s t r u c tas u r f a c em o d e l 上海大学硕士学位论文 光学三维形体检测及重构研究a b s t r a c t r e p r e s e n t e db yn o n u n i f o r mr a t i o n a lb a s i cs p l i n e ( n u r b s ) f r o mg i v e np o i n tc l o u d d a t a s k i n n i n gt e c h n i q u ei s o f s i m p l ep r i n c i p l ea n da b l et oc r e a t ep a r a m e t r i cs u r f a c e r a p i d l y ，a n d t w o s k i n n i n ga l g o r i t h m s t h a ta r eb a s e do n i n t e r p o l a t i o n a n d a p p r o x i m a t i o nr e s p e c t i v e l y a r ed e s c r i b e da n d c o m p a r e d w i t he a c ho t h e na n d n u r b s b a s e ds i l l f a c em o d e l sa r er e c o n s t r u c t e ds u c c e s s f u l l yb vt h e s em e t h o d su n d e r c + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e 3 s o f t w a r ed e s i g nf o rr e v e r s ee n g i n e e r i n g r e c e n t l y ，a3 dm e a s u r i n ga n dr e c o n s t r u c t i o ns y s t e mb a s e do ng r a t i n gp r o j e c t i o n t e c h n i q u ew a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yb yt h ea p p l i e do p t i c s & m e t r o l o g yl a b s h a n g h a iu n i v e r s i t y a n df o rt h ep u r p o s eo fh a v i n gas m o o t h l i n ko fm e a s u r e m e n t ， d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sa n dd i s c o v e r i n gt h ec o m m e r c i a lp o t e n t i a la n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o ft h es y s t e m ，t h ea u t h o rb r o u g h tf o r w a r dar e f o r mp l a no i l d e v e l o p i n gr e v e r s ee n g i n e e r i n gs o f t w a r ew i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s f o ri t p r a c t i c a ls c h e m e sa r ec o m p a r e dw i me a c ho t h e r ；r e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n d d e f i n i t i o na r ep e r f o r m e d ；t h eg e n e r a ld e s i g ni sd e s c r i b e d ；a n dr e l a t i v ea l g o r i t h m sa n d m a i nf u n c t i o n sf o rt h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga r ei m p l e m e n t e dt h r o u 曲c o d i n g t h es o f t d e s i g n e d i nt h i sw o r ki s t a r g e t e d f o rs t a n d a l o n es o f t w a r ew i t h1 0 wc o s t g o o d p o r t a b i l i t y , e x c l u s i v ef u n c t i o n s ，a n d f a i r f l e x i b i l i t y i t w i l le n h a n c et h ea n n e x a t i o n v a l u eo ft h et o t a ls y s t e m ，a n dh a v eag r e a tp o t e n t i a l l yc o m m e r c i a lv a l u ew h e ni ti s c o m p l e t e dt h r o u g h f u t u r ew o r k s k e yw o r d s ：g r a t i n gp r o j e c t i o nt e c h n i q u e ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，f r i n g ep a t t e r na n a l y s i s ， r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 上海大学硕士学位论文 光学三维形体检测及重构研究第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着航空、航天、汽车、造船、模具等工业的发展及传感、控制、 制造、计算机软硬件技术的进步，复杂三维形体的检测及建模在现代制造业中备 受关注，对三维物体的检测也不断提出更高的要求，比如要求高精度、快速、全 场、动态、无损、智能等。各工业国都进行了大量的研究和应用，推动着三 维形体检测和建模技术向前飞速发展。新的测量技术与仪器及相关软件不断涌 现。 1 1 光学三维形体检测技术 1 1 1 三维形体测量技术 三维形体检测技术“1 根据探测方式不同主要可分为两类( 如图1 1 所示) 。 图1 1 三维形体检测技术 f i g 1 1t h r e e - d i m e n s i o n a ls h a p e m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s 一、物理接触式检测 接触式测量技术的优点在于： ( 1 ) 发展历史久，技术相当成熟，机械和电子系统有较高的准确性和可靠性； ( 2 ) 与被测表面直接接触，受表面的反射特性、颜色及曲率等的影响不大； ( 3 ) 与测量软件配合可以高效准确地测出物体的基本几何特征，如平面、圆等； ( 4 ) 可以测量一些具有内部特征的样件，如内孔径等。 尽管如此，它有以下缺点： ( 1 ) 需要特殊夹具以确定测量基准点，且夹具不具有宽的适用性，导致设备昂贵： ( 2 ) 接触探头易磨损，需要经常校正以维持精度，探头常需更换从而增加成本： ( 3 ) 接触式测量限于应用在经受得起机械接触的材料，操作不当易损坏被测表面 和探头，且接触局部的变形会影响真实测量值： ( 4 ) 由于采用机械式逐点扫描方式进行测量，因此通常速度较慢； ( 5 ) 检测内部特征的时候有一些固有限制，比如探头直径要小于被测内圆直径； ( 6 ) 传统接触触发式探头测量三维曲面时得到的点数据是探头的球心，需要进行 半径补偿来得到真实的物体外形，因而会带来修正误差。 ( 7 ) 机械、电子系统会带来动静态误差。 上海大学硕士学位论文 光学三维形体检测及重构研究第一章绪论 接触式测量技术的发展趋势是与非接触测头配合使用优势互补i 。 二、非接触式检测 随着光电技术、微电子技术的发展，特别是光学、激光技术在测量上的突破 性应用使非接触式测量技术与接触式测量技术相比有许多优点，主要是： ( 1 ) 无需半径补偿，光点位置就是样件表面位置，因此常用于非规则表面的测量； ( 2 ) 非接触无损，测头与被测表面无物理接触所以不会造成表面或测头损伤变形； ( 3 ) 全场测量速度快，通常非接触方法可以全场方式扫描被测表面，不必像接触 式探头那样逐点进行测量； ( 4 ) 适用样件材料范围广，可以直接测量薄、软、不可接触的高精密样件； ( 5 ) 可测受接触探头半径限制的微细结构。 非接触式检测的主要缺点有： ( 1 ) 测量精度受光敏器件等成像系统分辨率的限制： ( 2 ) 光学非接触探头受样件表面的反射特性限制，如颜色、斜率、镜面反射等。 ( 3 ) 易受环境光线、振动等噪声的影响，信号处理困难； ( 4 ) 能对样件轮廓进行大量采样，但对边界、凹孔、不连续形状的处理较困难； ( 5 ) 使用c c d 做探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度。 以上比较可知，以光学测量为代表的非接触式三维形体检测技术有着接触式 检测技术无法超越的优点，它满足了现代工业生产生活对检测技术的高精度、快 速、全场、动态、无损、智能等要求，代表了三维检测技术研究、应用的主流和 方向” 。 1 1 2 光学三维形体检测技术及应用 眼睛是人和动物的重要感觉器官。人眼从外界获得的信息，不仅比其他感觉 器官多得多，而且有些是其它感觉器官所不能获得的。据研究，从外界进入人脑 的信息，有百分之八十以上来自眼睛。这从侧面说明，光学传感具有获取快速、 信息量大、适用范围广等特点。也正是因为这些特点使光学检测成为非接触式三 维形体检测技术的主体。 一、光学三维形体检测技术 依据原理的不同，光学三维形体检测技术可以分为：运动( m o t i o r ) 测量、单 静态测量( m o n o s t a t i c ) 、三角法( t r i a n g u l a t i o n ) 测量三类，如表1 1 。各类方 法又可分为主动式和被动式测量，根据光源的性质还可以分为相干光和非相干 光。可以依据不同的需要进行分类。 三角测量原理简单，设备成本相对较低。随着激光技术和图像传感技术的日 益成熟，三角测量方法得到了广泛应用。三角测量的缺陷是进行条纹图像辨识时 会因深度不连续而产生多义性，而且难免遮断、镜面反射、低表面反射率的影响。 其系统标定也困难，且远距被测物测量结果不精确”。发展至今人们针对其缺 陷提出了一些改进的的方法，比如，利用反射镜、多传感器、旋转转台以进行多 视角测量等方法来解决遮断的问题。该类方法的具体实现包括点扫描测量、线扫 描测量及全场扫描测量- - 1 十方式。8 ：。如图1 2 所示。 ( 1 ) 点扫描测量法是利用点结构光对被测物面进行测量，常以激光作为点结构光 光源。其特点是逐点扫描效率低，但其原理简单，只需要采用线阵图像传感器就 可以获取图像信息，且不存在全场方式中的图像信息多义性等问题，对复杂形体 的适应性好。 ( 2 ) 线扫描测量法是利用激光在被测物面投射一光带，由于被测面起伏，投射的 光带随之变形，通过c c d 等图像传感器获取光带变形图像，就可以由激光束的发 上海大学硕士学位论文 。2 光学三维形体检测及重构研究第一章绪论 射角度和激光束的成像位置，通过三角几何关系获得被测点的距离或者位置坐标 等数据。其关键是要精确确定变形光带的中心位置。 ( 3 ) 点扫描测量效率低下，而线扫描需要占用大量存储空间，为解决这些缺陷， 可以采用全场扫描，得到的全场条纹图像可以进彳亍离线处理。全场扫描方式可以 高效率地完成物面测量。目前市场上已有很多利用结构光进行全场扫描方式测量 的商业化系统，如表1 2 所示。 表1 1 常用光学三维测量方法及其特点 t a b l e1 1 o p t i c a l3 d m e a s u r e m e n tm e t h o d s 类型方法、方案原理简述特点- 廷! 明单目( m o n o c u l a r ) 、由轮廓来恢复形体；相对复杂：有凹性形 ( m o t i o n )双目( b i n o c u l a r )一些方法中使用极体、阴影和镜面反射 线约束( e p i p o l a r等问题 c o n s t r a in t ) ； 物体的纹理可由动 态投射的图像记录 单静态飞行时间法发射脉冲，用脉冲飞相对简单；无遮断的 ( t i m eo ff l i g h t )行时间来确定距离，问题：精度较低；数 生成完整的距离数据稠密；价格昂贵 据。 干涉测量采用相干光源，以物高精度、商分辨率； ( i n t e r f e r o f i l e t r y )波波前与参考波前需要相干光；可测深 的干涉条纹为分析度和物面宽度有限： 目标得到测量结果易受环境因素影响； 价格昂贵 莫尔形貌术分辨率高于飞行时有多义性、遮断、镜 ( m o i r et o p o g r a p h y )间法；可结合相移等面反射、低表面反射 主技术来提高分辨率率影响；标定困难； = 动结构光技术( s t r u c t u r e d二进制编码、颜色编远距被测物不精确： 一 角式 l i g h tt e c h n i q u e )码、位相编码；点测 成本低 法量、线测量及面测量 被立体视觉摄影测量用不同视点的图像相对复杂；常用于机 动( s t e r e o p h o t o g r a m m e t r y )特征匹配来提取三器视觉；无遮断阴影 式维信息等问题；精度较低： 设备昂贵 上海大学硕士学位论文 3 光学三维形体检测及重构研究第一章绪论 面 线 ( b ) 线结构光测量原理图 ( c ) 面结构光测量原理图 面 图1 2 非接触式三角法测量原理 f i g 1 2s e t u pf o rt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n t 二、光学三维形体检测技术的应用 科研总是为生产生活服务的，随着光学三维测量技术的日渐成熟，它也得到 了越来越广泛的应用。 目前，通过与c a d c a m 结合，光学三维检测技术因其具有非接触、无损、高 精度、高效率等特性，在工业产品设计制造领域己取代接触式测量成为逆向工程 的数据获取的主要手段，以及作为最终产品的质量检验手段。逆向工程应用于对 已有非c a d 设计出来的零件进行重新设计，或者缺少产品的c a d 设计蓝图的场合， 及某些产品无法直接用c a d 设计，而易于用手工造出模型的场合，可以大大加速 产品的设计。光学三维检测技术的应用领域正在不断扩展，比如： ( 1 ) 服装设计 利用光学三维检测技术对人体进行量测，从而可以对紧身潜水衣进行量身定 做，或进行时装虚拟。 ( 2 ) 生物医学、人体工程学设计 如假牙、假肢的量身定做：头盔、座椅、鼠标、键盘的人体工程学设计。 ( 3 ) 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 上海大学硕士学位论文 光学三维形体检测及重构研究第一章绪论 e e e e 山 口 皇 o n q d c 譬 o 8 q e e 叫 心 c o qe 斋 cuq c o 仃口 殳 v 罚 匹 芑 e c 兰 。兰! o 呈 但 啊 珊e兰 ； 主 旦 ； e 印 q d ； ； ； ； ； ； ； 至 ； ； 主 ； ； 主主 ； ； 主 ； 仇 蚺 盖苤 t c 董翟 羞专 鞭 臻 瞿蛋 霪 笔呈 兽善 兽兰翟 虿趸 ，墓 兰兰l ov 】 u o 讪 8 ” 8 岬9 金讥 且n 2 拿。 o 孽三 蕈i3 。童莴寸一 剁价 u j 昱 呈 庄 们 o 芑 o u 2 k o e 言e 里 i 丑e l l e e 量爱 价 誊虽 卜 型 c 1 莹 一h k 螺磊 凸_ e e 岩 嚣 o u 口 垛 u o e e 量i l e l 到 e山 e o 夥 o u 1 o 外8 z 暮 口 山 o i n 蛙 qu j 价 n 爿 o o 3 o o o e = 霾 n j o 口 o 重 o n h o i2 州 e 一 e ) - 罨 e e n 3 e 晕l e ；l o 望 n o e u 1 n q 9 仉 o u d i 呈 +o n v 群 8 础 匝 3 e u u 们 刊 一 c 凸 l 舌 暑 善耄 u 9 u 蚕量 里 o u 口 鬟苔 旨e 。 适5 ! 雪!警 c i8 口o l 争塾晷 3 百 善崔量 卓女 罢五 i o 三鬯 妻莹 珊 丧s e 里古 ：垂 量 8 垩； j 卜_ 翟岩 o ；墨 u 盂； z 工 u 卜_ _ o 。 岂& 。 dc 占墨 o 三8 l 量 菩 | i | i | 虏 重量 h 兰丘 5 o 凸l 霎吾 y 譬 晶乏 岂8 凸 ou 一 3 ； 凸o 。 d 壁 c 芷 _量 芒 l ；一 一 o兰 3 o mc = e 卫吕 z i 。 ； 凸- 血 o o u u 上海大学硕士学位论文 5 光学三维形体检测及重构研究第一章绪论 环境虚拟增强虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ，v e ) 的真实感：”，比如建筑物 的虚拟规划、设计和展示，虚拟飞行训练、作战演练，虚拟媒体人物，增强电脑 游戏的真实感等。 ( 4 ) 文物保护“ 文物资料的保存，文物的修复、复制等。 总之，光学三维检测技术正面对着广阔的市场前景，对相关技术和仪器进行 市场化、商业化应用研究是一项重要的课题。部分商用系统及其性能如表1 2 所 不。 1 2 逆向工程技术 1 2 1 正向工程“ 传统的工业产品开发均是按照严谨的研究开发流程，从确定功能与规格的预 期指标开始构思产品的，然后进行各个零部件的设计、制造以及检验，再经过组 装、整机检验、性能测试等程序来完成。每个零部件都有原始的设计图纸，目前 已广泛使用c a d 来设计和存档。每个零部件的加工也有自己的工序表，每个零部 件的尺寸合格与否用产品检验报告来记录。这种开发模式称为预定模式，此类开 发工程称为正向工程( f o r w a r de n g i n e e r i n g ) 。正向工程的流程如下图1 3 ： 图1 3 正向工程漉程不意图 f i g 1 3c o m m o np r o c e d u r eo ff o r w a r de n g i n e e r i n g 1 2 ，2 逆向工程概述 广义上逆向工程的研究对象包括物理实体、软件和影像等，最终产品包括几 何形状逆向、功能逆向、代码逆向和材料逆向等。本文仅限于讨论基于c a d c a m 应用的逆向工程技术，研究对象为物理实体。 1 2 2 1 逆向工程基本构成 逆向工程作为一种现代工业产品的快速设计方法已经受到越来越多的关注、 研究和应用。它是基于从现实到抽象再回到现实的理念有别于传统的正向设计即 直接从抽象到现实的产品设计制造理念。从总体上逆向工程可以分为三个基本步 骤”_ ”。如图l - 4 。 首先，用接触或非接触的方式对已有物理实体进行测量，获得其包括物理和 几何的各种特性，其中最重要的是几何尺寸数据，对于多视角测量还需要进行配 准拼接：接着，数据经过滤波等预处理，进入三维重建阶段，内容包括数据融合、 点云分割、曲面拟合等；最后生成c a d 模型( 可作适当修改) 从而通过n c 加工或 者快速原型等手段加工出最终成品。图1 5 所示是受上海市光科技专项支持， 并由上海大学应用光学与测量实验室研制成功的基于光栅投射测量技术的光学 三维传感与重建系统的完整的逆向工程示意图。图1 6 给出了逆向工程的一个 实例。显然，作为逆向工程的第一个环节，获取被测物理实体的精确几何数据是 逆向工程的成败关键“”】。 上海大学硕士学位论文 光学三维形体检测及重构研究第一章绪论 图1 4 逆向工程的一般过程示意图 f i g1 4c o m m o np r o c e d u r eo fr e 图1 5 基于光栅投射测量技术的逆向工程系统 示意图 f i g 1 5l a y o u to f r es y s t e mb a s e do ng r a t i n g p r o j e c t i o nm e a s u r i n gt e c h n i q u e ( a ) 样件( b ) 点云( c ) c a d 模型 ( d ) r p 产品 图1 6 逆向工程实例： f i g 1 6 a ne x a m p l e o f r e v e r s ee n g i n e e r i n g 1 2 2 2 逆向工程软件国内外现状 逆向工程作为一种快速产品开发的方法，受到了世界各国的重视，特别的对 于设计制造技术欠发达的国家来说，它是追赶先进国家的一种有效手段“。其 中逆向工程软件的研制是逆向工程的一个重要的任务，亦是一国逆向工程水平的 标志。从总体上看，目前已有的逆向工程软件可以分为三类( 如图1 7 ) ： ( t ) 通用类 如英国d e i c a m 公司的c o p y c a d 、美国e d s 公司的s u r f a c e r 等“1 。这类软件 一般功能较为全面。比如，s u r f a c e r 处理数据的流程遵循点一线一面原则，因 此具有很强的适应性。它包含了主流c a d c a m 软件c a t i a ，p r o g n g i n e e r 和 l n 【g r a p h ic s 等的数据桥( d a t a b r i d g e ) 软件包，可以与e d s 公司的i d e a s 软件 上海大学硕士学位论文 光学三维形体检测及重构研究第一章绪论 直接连接；可实现测量装置与s u r f a c e r 软件分析模块的实时数据通信和处理； 支持的文件格式有3 6 种( v e r s i o n1 0 ) ，主要有：i g e s 、s t l 、a u t o c a d 的d x f 、 德国a t o sg o m 公司的s u r f 、v r m l 的w r l 、美国p e r c e p t r o n 公司t y p e 3 r a w b i n 、 法国k r e o n 公司的g r i dd a t a g r k 、a s c i i 3 d r 、及标准g 代码i s o 等。可见这 类软件具有很强的通用性，只要测量数据符合文件格式要求，就可以利用 s u r f a c e r 进行处理，而不管这些数据是以什么方式得到的。 ( 2 ) 专门类 是指针对某一类型的测量仪器而开发配备的专门处理该类仪器测量到的数 据的逆向工程软件。该类软件一般功能比较简单、专门、灵活，与三维测量仪器 相搭配实用性强，对用户来说基本没有价格上的顾虑。通常生成的文件格式能与 流行的c a d c a m 兼容，从而方便后续的加工等处理。如，天大智泰公司的3 d 激 光扫描系统的随机软件d i g is u r f 可以利用扫描得到的数据点进行曲面重建。“， 生成i g e s 格式文件，从而可以利用u g 等主流c a d c a m 软件对模型进行修改或生 成s t l 文件用于快速成型加工或c n c 加工程序。 ( 3 ) 模块类 国外发达国家的主流c a d c a m 系统技术先进、成熟，其技术和资金的优势为 其开发逆向工程软件带来了天然的便利和优势，因为所有逆向工程软件生成的模 型最终都要通过c a d c a m 输出。目前几乎所有主流的c a d 软件都集成了功能强弱 各异的逆向工程模块。比如，p t c 公司的逆向工程模块i c e ms u r f 、 p r o d e s i g n e r ( c d r s ) 、p r o s c a n t o o l s ，e d s ( 并购g n i g r a p h i c ss o l u t i i o n s ( u g s ) 公司) 的0 g 系统集成的p o i n t c i o u d 模块。“。这些模块的功能与通用类逆向工程 软件相比要有限得多。通常这类逆向工程软件提供用于二次开发的a p i 函数库 如u g 的u f u n c 函数库。 国内的逆向工程研究起步较晚，由于测量技术的落后和缺乏成熟的国产 c a d c a m 软件的支撑以及发达国家的技术封锁，使得我国的逆向工程水平明显落 后于国外先进水平。企业、高校和政府为提高我国的逆向工程水平目前走的是产 学研协作的道路，并已经取得了一些成绩。比如海信集团技术中心工业设计所完 成的逆向工程项目包括c m s 4 0 0 型层析三维数字化测量机、激光线扫描测量仪、 电路板在线检测仪和逆向工程设计开发系统，对逆向工程的软硬件技术进行了一 定的积累。浙江大学开发了r e s o f t 逆向工程系统采用三角b e z i e r 曲面模型1 ”， 其优点在于能灵活适应各种复杂形体，但是三角b e z i e r 曲面与其他主流c a d c a m 软件的兼容性不好，限制了它的应用范围。 总之，我国的逆向工程软件仍处于起步阶段，不管是从产品开发水平还是从 商品化、市场化程度都与发达国家有很大的差距。另外由于国产的c a d c a m 软件 尚未成熟前景不容乐观。国外一些优秀的c a d c a m 软件如u g 、s o l i d w o r k s 、 s o l i d e d g e 、p r o e n g i n e e r 、c a t i a 等，已经占领了大部分国内市场，这从另一 个方面对我国逆向工程软件的发展构成了限制。但是，也应该看清自己的优势， 比如了解本国市场，提供技术支持方便，价格便宜等。在这些前提下，从开发专 门类软件开始，不仅要紧跟时代潮流，跟踪国际最新动态，熟悉、遵守并利用各 种国际规范( 包括产品数据交换规范“，如基本图形交换规范( t h ei n i t i a l g r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，i g e s ) 、产品模型数据转换标准( s t a n d a r d f o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ，s t e p ) ，形成自己独特的优势，立 足国内，结合国情，面向国