（机械电子工程专业论文）基于ct图像建立鞋楦模型及其参数化设计的研究.pdf

基于c t 图像建立鞋楦模型及其参数化设计的研究 摘要 鞋楦是鞋子设计和制造的基础，鞋楦的几何形状是一个空间复杂的曲面体， 鞋楦的设计的好坏直接影响到成品鞋的质量。因此，实现鞋楦的c a d 及引入鞋 楦模型参数化设计对制鞋业的发展有着重要的理论意义和实用价值。 本文主要研究了三个方面的问题：( 一) 鞋楦曲面体重建的曲线曲面的基本 理论、方法和相关理论基础；( 二) 以理论为基础，利用三维造型软件p r o e 建 立鞋楦模型；( 三) 利用p r o e 二次开发包p r o t o o l k i t 对鞋楦进行参数化设计。 本文首先讨论了逆向工程原理、方法和鞋楦模型的数据的提取及数据的处 理，介绍了几何建模的曲线曲面理论和三维造型软件p r o e 的复杂曲面造型功 能，根据c t 图像对鞋楦模型进行模型重建。本文还介绍了面向对象技术，参数 化设计方法和p r o e 进行二次开发的理论和方法，最后着重介绍利用v i s u a l c + + 6 0 系统开发工具，采用d l l 接口技术，应用p r o e 开发包p r o t o o l k i t 对 鞋楦模型进行参数化设计和用户界面设计。 关键词：鞋楦模型，p r o t o o l k i t ，二次开发，参数化 m o d e l i n go fs h o el a s tb a s eo nc ti m a g e sa n dp a r a m e t r i c d e s i g n a b s t r a c t as h o el a s ti st h eb a s eo ft h es h o ed e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g 1 1 1 eg e o m e t r i c a ls h a p eo f as h o el a s ti sas p a t i a lc o m p l e xs u r f a c eb o d y , a n dt h ed e s i g nq u a l i t yo fs h o el a s ta f f e c t st h e q u a l i t yo ff i n i s h e ds h o e sd i r e c t l y t or e a l i z es h o el a s tc a da n dt oi n t r o d u c es h o el a s t m o d e lp a r a m e t r i z a t i o nh a st h ei m p o r t a n tt h e o r e t i cs i g n i f i c a n c ea n dt h ep r a c t i c a lv a l u e t h r e ea s p e c t sw e r em a i n l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ：( 1 ) 1 1 1 ee l e m e n t a r yt h e o r y , m e t h o d a n dc o r r e l a t i o nt h e o r i e sf o u n d a t i o na les t u d i e di nt h en e e d so fs h o el a s tc u r v e ds u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ，( 2 ) b a s e do nt h et h e o r y , s h o el a s tm o d e l i se s t a b l i s h e dw i t ht h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l l i n gs o f t w a r ep r o e ，( 3 ) w i 廿lt h ed e v e l o p m e n tp a c k a g e si np r o ea n d c + + ，t h es h o el a s tw a sp a r a m e t r i z e d f i r s t ，t h er e v e r s e e n g i n e e r i n gp r i n c i p l ea n dt h em e t h o d ，t h ed a t ae x t r a c t i o na n dd a t a p r o c e s s i n gw a sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r t h e n ，t h ec u r v e sa n ds u r f a c e st h e o r yo ft h e g e o m e t r ym o d e l l i n ga n dt h ec o m p l e xs u r f a c em o d e l i n gf u n c t i o ni np r o ew e r ei n t r o d u c e d n es h o el a s tm o d e lw a sr e c o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h ec ti m a g e s n eo b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g y , t h ep a r a m e t r i z a t i o nd e s i g nm e t h o da n dt h et h e o r i e sa n dt h em e t h o do f s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti n p r 0 ew a sa l s oi n t r o d u c e d f i n a l l y , a d o p t i n gt h ea d v a n c e d p r o g r a m m i n gl a n g u a g ev c + + 6 0 u s i n gt h ed l lc o n n e c t i o nt e c h n o l o g y , a n da p p l y i n g d e v e l o p m e n tp a c k a g ep r o t o o l k i ti np r o e ，i ti sr e a l i z e dt op a r a m e t r i z et h es h o el a s tm o d e l a n dt od e s i g nt h eu s e ri n t e r f a c e k e yw o r d s ：s h o el a s tm o d e l ，p r o t o o l k i t ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，p a r a m e t r i z a t i o n 插图清单 图1 1 研究内容流程图。4 图2 1 逆向工程流程图6 图2 2 逆向工程具体技术路线6 图2 3 数据测量方法8 图2 4 基于c t 的c a d 建模过程。1 0 图2 5m e d g r a p h i c s 工作界面1 1 图3 1 基于m e d g r a p h i e s 软件数据提取流程图。2 4 图3 2 鞋楦模型2 5 图4 1p r o t o o l k it 工作方式。3 5 图4 2 设置文件包含路径。4 3 图4 3 设置库文件路径4 4 图4 4 设置连接所需库文件4 4 图4 5 手动注册p r o t o o l k i t 程序。4 6 图4 6 显示在p r o e n g i n e e r 中的菜单4 7 图4 7p r o e 中创建的模式对话框5 0 图4 8 创建控件的数据成员。5 1 图4 9 基于三维模型的参数化设计实现过程5 3 图4 1 0 创建设计参数5 4 图4 1 1 添加关系式5 4 图4 1 2 再生前的鞋楦模型5 5 图4 1 3 再生后的鞋楦模型5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所 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 佥胆兰些厶堂 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谢意。 学位论文作者签名：邀淘晃 签字日期：砂p 髟年仟月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金魍至些厶堂可 以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 缸淘晃 签字日期：p 每年牛月f fe l 导师签名： 仍小抒 签字日期：少一? 年中月日 垛一6 ；6 6 气 0 形0 0 o 蛤 有退园槲靴 砾耥 ：l一敏讯脚源 掷掣汰崤量姥器嘲 鞘则止 致谢 首先，我由衷地向我的导师胡小春教授表示感谢。两年以来，无论是在学 习上，还是在生活上，导师都给予我很多的帮助和关怀。导师渊博的知识，严 谨的学术作风，平易近人的师长风范给我们造就了良好的科研学习环境，特别 是她积极处事和严谨治学的工作态度，和处处为他人着想的品德将成为我今后 学习和工作的楷模。 感谢机械与汽车工程学院机械电子工程教研室的曾亿山、宋守许、朱华炳、尹志 强等各位老师在我读研期间在学习方面给予的帮助。 感谢孙波，王希杰，施豪亮，万孝军，俞辉、陈波、崔洪坤等机电实验室6 0 6 的所有师兄弟在各个方面给我的帮助，同时也感谢王坤，次青波，韩晓峰，韩 雪松，周明非等同学在各方面对我的照顾和帮助。 感谢所有曾经帮助过我和关心过我的人。 特别感谢父母和家人这些年来对我的大力支持和关怀，谨以此文献给他们。 赵海君 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1课题的提出、目的及意义 随着社会现代化程度和物质生活水平的不断提高，人们对自己所穿的鞋子 的舒适性和个性化的需求日益增强，尤其是从事特定职业的人员( 如运动员、舞 蹈演员、军人等) 对个性化鞋子的需求更加迫切，以往人们在选购鞋子时，往往 是迫使自己的双脚去适应已经成型的鞋子，很难根据自己双脚的实际情况选购 到非常合脚的鞋子( 除非到鞋厂定制，但是这样的价格是非常昂贵的，一般的人 根本无法承受) ，由于世界上不存在两个人的脚形完全相同的情况，即使对于 穿同一鞋号的两个人来说，由于他们( 或她们) 的脚的长短不同、胖瘦不同、足 弓高度不同，甚至走路的姿势都不同( 如有的人走路时抬脚特别高，而有的人平 拖着鞋走路) 等 1 】。因此，传统的基于标准鞋楦生产的鞋子在很大程度上无法满 足客户对鞋子的个性化和人性化需求，作为制鞋模具的鞋楦的参数化设计就是 针对这种需求而提出的。 鞋楦是鞋子设计和制造的依托，是根据人们的脚型和制鞋要求进行设计加 工而成的制鞋模具，它是制鞋工艺中的主要模具，是制鞋的基础，鞋楦的结构 和造型是否准确，直接影响到鞋子的形状和穿着的舒适度【2 】。在制鞋业中，鞋 楦体的造型直接决定了鞋的式样和型号，鞋的品种和款式也是根据鞋楦的造型 来设计的。本课题提出鞋楦模型的参数化设计，实现对鞋楦模型的参数化设计， 使得鞋楦模型的重建和参数化结合起来。 鞋的设计分为三大类：楦体造型设计，帮样设计，底部件和底成型模具设 计。在帮样设计中，无论使用平面设计方法，立体设计方法，还是计算机辅助 设计方法，都必须依据鞋楦的表面尺寸进行。在制鞋过程中，鞋楦是从平面的 制鞋材料到立体的鞋制品唯一可以依托的模具。无论是手工绷楦还是机器绷楦， 鞋都要经过一段时间的干燥才可以出楦。由此可见，鞋楦造型设计及生产是制 鞋的关键工艺，而我国鞋楦的c a d c a m 技术的发展相对落后，制鞋业在一定 程度上也受到了制约。加入w t o 后，从制鞋业庞大的市场出发，刻楦系统的 研制具有较好的社会、经济效益【3 】。本课题就是针对这种情况提出的，而研究 在设计和制造鞋楦过程中，对c a d 鞋楦模型提供的数据如何进行精简，如何 更好的建立鞋楦模型和鞋楦模型的参数化设计，设计出可以满足市场的个性化 需求，又能使整个过程经济合理，具有可实施性，也帮助鞋楦设计人员从传统 的鞋楦生产方式中解放出来，为我国制鞋业开辟了一个新的设计思路。 1 2鞋楦模型在国内外的研究现状 鞋楦是以人体脚的形状为基础，用作设计皮鞋和其他品种鞋的模型和定型 工具。鞋楦的结构与造型是否准确，直接影响到鞋的形状和穿着的舒适度，传 统鞋楦的设计是设计师用手工凭经验反复修改制作成母楦，再用靠模机仿形加 工为成品楦，这种传统的生产方式所引起的鞋产品生产周期长，生产效率低， 质量、尺寸不稳定等问题严重影响了国内制鞋业在激烈市场竞争中的地位，随 着日益激烈的市场竞争和先进制造技术的发展，国内外相继开展了将计算机辅 助技术c a d 引入鞋楦的设计并将设计的结果应用于制造及其他相关领域的研 究。 在国内，有很多高校及科研单位都在研究c a d 在制鞋业中的应用。但这 些研究局限于理论方面的居多，具有实用化价值的系统较少。1 9 8 6 年上海大学 与福州皮革工业研究所研制的“p f s i ”微机辅助优化设计系统，主要有帮样扩 缩、楦体展平等功能【4 】。四川大学光电系研制的“l m a 1 0 0 鞋楦三维面形自动 测量系统”应用光电技术，以激光作为基准进行鞋楦三维测量，可获得高精度 楦体三维数据。但仅解决了鞋楦的数据测量问题，还不是一个c a d 系统。浙 江大学c a d 国家重点实验室和浙江大学人工智能研究所，联合温州市鹿艺鞋 材有限公司、温州市飞翔鞋类研究所等制鞋及鞋材企业和研究所，共同开发了 “基于人脚动力学原理的个性化皮鞋c a d 软件系统 ，该系统根据普通三维 扫描仪获取的人脚点云数据，计算出脚长、跖围、跗围等重要参数，并重建出 个性化的人脚三维模型；然后根据人脚数据对鞋楦进行微调，并生成符合特定 人脚数据的个性化鞋楦模型【2 】。 成都科技大学研制的“鞋样c a d 系统”用手工测量的方法获取鞋楦特征 部分的三维数据，用双三次b 样条曲面拟合逼近算法构造鞋楦表面，然后进行 展平，曲跷处理。但构造的曲面与实际楦面的误差较大，而且不能对鞋楦进行 缩放和修改。国家轻工部于8 7 年下达给重庆皮革工业科研所与重庆大学光机所 “皮鞋鞋帮c a d 系统 研究开发项目，拟开发出性能好，实用性强，易于推 广的现代化皮鞋设计技术装备。该项目于1 9 9 0 年圆满完成，并通过部级鉴定。 研制成功的s c a d 10 0 系统因具备以个人微机为系统主机，并在鞋帮三维曲面 展平处理准确率高，采用无接触方式对鞋楦高速准确测试，性能价格比高及使 用维护方便等优势而达到国内领先水平，并受到国内广大鞋厂的欢迎。但从皮 鞋系统设计要求上看，尚需进一步研制皮鞋帮样c a d 系统及其配套设备，包 括提高c a d 的性能、配置鞋帮下料c a m 系统、加工鞋楦的数控刻楦机等c a m 系统以实现鞋帮鞋檀从设计到加工的计算机处理，即鞋帮鞋楦c a d c a m ，以 满足国内众多制鞋厂的需求，加速缩小与国外鞋帮鞋楦c a d c a m 先进水平的 差距，故在前期技术开发基础上于八五和九五期间继续安排攻关，进一步开发 一般鞋厂易于接受、性能好、实用性强、造价低和易推广使用的鞋楦c a d c a m 系统，以普遍提高国内制鞋企业技术水平，产生良好的社会经济效益。 据所查的资料，鞋的二、三维交互设计在国外的一些制鞋软件系统中已能 2 实现，但在国内的制鞋软件系统资料的检索中针对这一问题的研究还未曾发现 相应的解决办法。 在国外，以美国、意大利、法国、英国、德国等为代表的世界制鞋发达 国家在鞋楦c a d c a m 方面做了许多研究，都以微机工作站或小型机为系统主 机，硬件投资规模大，设备先进，主要在鞋楦测量、帮样扩缩、色彩、帮样加 工自动化控制和数控刻楦等方面发挥优势。如：加拿大c i m t e c h 公司推出的 d e s o o m 系统、美国的g e r b e r c a m s c a 公司s h o e m a s t e r 系统、英国的c r i s p i n 系统、原西德大陆公司的下样机、意大利的p r e s t i g e 扩缩样c a d c a m 系统 及英国b u 公司的s p r i n g 鞋帮c a d 系统等。自1 9 7 6 年欧美第一台鞋楦c a d 系统问世以来，到1 9 8 1 年发展到三家鞋厂采用，而到1 9 8 6 年竟达五十多家采 用c a d 系统，其普及率达4 0 ，到2 0 0 0 年其应用更为普遍【2 】。 综合上述文献资料可知，制鞋工业正向设计无纸化、数据科学化、生产数 字化方向发展。 ( 1 ) 设计无纸化 目前，计算机显示器己经能够逼真地以1 ：1 的比例显示靴鞋设计效果图和 鞋楦的效果图，生成楦体图、效果图、帮样展平图等以及修改设计、动态观察 等工作都可在计算机上完成并实现基于计算机网络的数据传递，这将使设计者 无须绘制图纸、制作实体模型或样品就能完成设计的全过程，实现设计无纸化。 ( 2 ) 数据科学化 以鞋楦测量结果作为鞋楦造型的几何描述数据，以解剖学、运动生理学、 人机工程学等学科的理论分析与实测数据作为靴鞋设计的数据库、专家库基础， 使经验规律和测试结果量化，再进一步结合材料、有限元、计算机图形学等相 关学科的技术，在计算机上实现静态与运动仿真模拟，使所设计的每一种鞋都 符合生理、运动等方面的要求并具有设计者理想中的美感，真正从经验设计转 变到以大量科学合理的数据和分析方法为基础的优化设计，实现数据的量化存 储与传递。 ( 3 ) 生产数字化 建立几何体的数学模型就可以相应地得到曲面上的点和其他信息，将这些 信息传递给后置数控编程等模块，可以进行干涉校验、生产规划并编制出相应 的数控加工程序，从而实现鞋楦加工、帮样展平剪裁数字化。将计算机辅助设 计技术引入产品的设计，是提高产品竞争力的有效手段，开发专用产品的c a d 系统，具有更重要的现实意义。本文提出的鞋楦c a d 系统中的关键建模技术 和参数化技术，充分考虑了鞋楦和当前相关技术领域的发展特点，对提高国内 制鞋鞋楦模型的设计技术水平，将会产生良好的社会经济效益。 1 3 本文主要研究内容 本课题对基于p r o e 二次开发的鞋楦c a d 模型提供数据精简，建模，修改 模型及鞋楦模型的参数化设计，通过三维造型软件建立鞋楦的立体模型，利用 几个主要的参数来控制鞋楦模型的尺寸的大小，鞋跟的高低，可以交互式的对 模型进行调整处理，这样就可以满足客户的个性化定制的要求，即研究的主要 内容有： ( 1 ) 数据的提取和处理 本文的数据是基于在安徽医科大学附属医院所做的7 0 张真实比例的右足 一踝综合体的c t 断层扫描图片，通过排除异常数据，遗失点补齐，数据平滑， 数据均化和归并冗余数据对点云进行预测处理，提高建模速度和质量。 ( 2 ) 鞋楦模型的三维重建 通过对逆向工程的研究，利用三维建模软件p r o e n g i n e e r 的曲面建模功能 进行曲线曲面构造、曲面拼接、重构质量分析等完成鞋楦模型的逆向重建。 ( 3 ) p r o e n g i n e e r 二次开发关键技术的研究 研究了p r o e n g i n e e r 的二次开发软件包p r o t o o l k i t 的特点，对利用 p r o t o o l k i t 进行二次开发的开发环境，开发过程等各种技术实现原理及其关键 方法和相应的高级开发语言工具v c + + 进行了研究。 ( 4 ) 鞋楦模型的参数化设计 通过对参数化研究，利用p r o e n g i n e e r 的二次开发模块p r o t o o l k i t 在v c + + 的编程环境中实现了对鞋楦模型的三个关键的尺寸进行参数化设计， 设计出人机交互式的界面，实现了鞋楦模型的个性化设计，提高了设计效率， 缩短了设计周期。 因此，本课题包括鞋楦数据提取及数据处理，模型c a d 重建和鞋楦参数 化设计等方面。如图1 1 虚线框所示的内容。 l 样 口 日口 鞋 楦 数 据 测 量 数 据 精 简 ll 关 壁u 键 刊i 辱 鞋 楦 几 何 造 型 整体扩缩 局部修改 交互调整 鞋 楦 3 d 造 型 图1 1 研究内容流程 4 鞋 楦 模 型 的 参 数 化 楦体n c 数据 帮样设置 优化排料 鞋 楦 c a m 系 统 2 1逆向工程 第二章鞋楦的逆向工程数据采集及处理技术 尽管计算机辅助设计( c a d ) 发展迅速，各种商业软件的功能日益强大，但 目前还是无法满足一些复杂曲面零件的设计需要。在产品开发和制造过程中， 有许多产品最初并不是由c a d 模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。 对于这类产品的计算机辅助技术的应用，兴起了一项新的技术一一“逆向工程 ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ， r e ) 技术。 逆向工程技术，也称反求工程、反向工程等，其思想最初来自从油泥模型 到产品实物的设计过程，随后发展形成一项以先进产品、设备的实物、样件、 软件或影像等作为研究对象，应用现代设计方法学和有关专业知识进行系统分 析和研究，进而开发出同类的更为先进的产品的技术。在2 0 世纪9 0 年代初， 逆向工程技术开始引起各国工业界和学术界的高度重视。 从广义讲，逆向工程可分以下三类： ( 1 ) 实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分析，从而再 创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实 物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。 ( 2 ) 软件逆向：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均称为技术软件。软件逆向有三类： 既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套 或部分技术软件。 ( 3 ) 影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广 告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该 种逆向称为影像逆向。 目前，国内外大多数有关“逆向工程 技术的研究和应用都集中在几何形 状的逆向，即重建产品实物的c a d 模型和最终产品的制造方面，称为“实物 逆向工程 。这是因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、 最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和 制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于 种种原因，最初并不是由计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 模型 描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需 要通过一定途径将实物样件转化为c a d 模型，以期利用计算机辅助制造 ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 、快速原型制造和快速模具( r a p i d p r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g r a p i dt o o l i n g ，r p m r t ) 、产品数据管理( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ，p d m ) 及计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g 5 s y s t e m ，c i m s ) 等先进技术对其进行处理或管理。在这一意义下，“实物逆向工 程 ( 简称逆向工程) 一般流程图如图2 1 。 图2 1 逆向工程流程图 其具体的技术路线如图2 2 表示： 万厅碰线l e 厶扛l 广_ 激光扫描卜_ 叫 测量数据苇整 产品实物 一 封l 北 上 图形矢量 一l = 辨舌怕l 。ic an 艚刑i 逐层切割 7 l 二维里俐l 7 l u 1 - 矢生l 化处理 + 馁 截面扫描 - l 提取轮赢 ，i 直接生成s t l 文件i 图像处理 一i 快速成形l l 快速成形 机接口i- i 机 快速几何反求系统研究产品原型 图2 2 逆向工程具体技术路线 在制鞋工业中，无论是新设计的样楦，还是大批量生产的鞋楦，都必须对 楦身各特征部位的尺寸及外型进行测量检验。鞋楦测量是款式设计的基础，鞋 楦的数据采集是三维模型重建的基础和关键的步骤，而鞋楦是由复杂的不规则 曲面所组成的自由型闭合曲面体，其形状不能由初等解析曲面组成，以逆向工 程技术来建立鞋楦模型。首先采用c t 扫描仪对鞋楦模型进行点云数据采集， 经数据处理、曲线拟合、曲面重建至模型完成。 2 2逆向工程的数字化方法及测量技术 实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点 的几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、 评价、改进、制造。因而，如何高效、高精度的实现样件表面的数据采集，一 6 直是逆向工程的主要研究内容之一。 一般来说，三维表面数据采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数据 采集两大类。接触式采集有基于力一变形原理的触发式和连续扫描式。而非接 触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析 法等。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。在接触和非接触测量中，三坐标测量机c m m 是广泛采用的一种测量设备。 本课题中采集的数据过程所使用的方法是用c t 扫描得到的，常见的数据测量 方法有如图2 3 图2 3 数据测量方法 常见的三坐标测量仪就是采用接触式测量法，通过使探针到模型表面触发 采样头中的开关，使数据采集系统记下探针尖( 测球中心点) 的当时坐标值， 完成对模型轮廓的测量，这就是触发式测量，连续式测量采用的是模拟量采样 探针，利用悬挂在三维弹簧系统中探针位置偏移所产生的电容或电感变化，进 行机电模拟量的转换，当采样头的探针沿着模型表面以某一切向速度移动时， 就发出对应各坐标偏移量的电流或电压讯号，因模拟式测量为连续测量，无绝 对坐标，所以不能中途离开工作表面。 非接触式测量法主要是利用光学，声学，磁学等领域的基本原理，将一定 的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点，其中尤以光学测量仪 具有快速，高精度，自动化的特点得到了广泛的应用。 这些测量原理都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据 处理技术应根据被测的物体的外型特征和应用目的来决定，随着近年来计算机 技术和光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术， 尤其是投影光栅法和激光三角法，由于具有测量速度快，自动化程度高，获取 7 数据量大的特点而得到了较大的发展，成为汽车，摩托车整车数据测量中的首 选方法。 对于一个明确表示的测量问题来说，测量技术的使用与产品本身的特征以 及用户对于测量数据的要求大有关系，影响选择哪种测量技术的因素有： ( 1 ) 产品的尺寸大小； ( 2 ) 产品外观几何特征的复杂程度； ( 3 ) 测量数据所要求的精度； ( 4 ) 测量数据所要求的密度； ( 5 ) 执行测量所允许的大致时间范围，即对测量速度的要求； ( 6 ) 产品表面特征，比如反射程度，硬度等； 在实际工程应用时，应考虑以上六个因素，选择和应用适合的测量技术， 以便得到最佳的产品三维数据【7 1 。 2 3 鞋楦的数据来源 测量数据的处理在逆向工程中占有非常重要的地位，是逆向工程中关键技 术之一。由c t 断层扫描得到的只是一大群空间散乱的点，这些数据之间通常 没有相应的显式拓扑关系，还包含大量无用的测量数据，测量数据中的坏点， 可能使得该点及其周围的曲面片偏离原曲线曲面。因此，进行c a d 模型重建 之前需要对其进行预处理，使之能够利用三维造型软件快速进行模型重建。 本文主要采用的的点云处理方法有： ( 1 ) 去掉噪声点，通常将点云数据显示在图形终端上，或生产曲线曲面， 在采用半交互半自动的方法对点云数据进行检查调整。 ( 2 ) 数据精简，对于高密度的点云数据，由于存在大量的冗余的数据，有 时需要按一定的要求减少测量点的数量。数据精简操作只是简单地对原始点云 进行删减，不产生新点。 本次研究所采用的鞋楦模型的三维几何数据源于安徽医科大学附属医院所 做的7 0 张真实比例的右足一踝综合体的c t 断层扫描图片，层厚2 r a m ，图片 以d i c o m ( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si nm e d i c i n e ) 格式存储。d i c o m 是美国国家电气制造商协会制定的医学图像存储与通讯的标准格式，其图像要 比从c t 胶片扫描获得的图像清洁、方便又不会引起因人为处理所造成的坐标 误差。与l m m 层厚的c t 扫描相比，2 r a m 层厚的c t 扫描可以大大减少被检测 者对x 射线的摄入量，缩短处理时间，节约存储空间，但是2 m m 的层厚对于 足部骨骼肌肉的建模显得精度不够，一些关键的几何特征很有可能被遗漏，这 就给我们的造型工作增加了困难。 8 2 3 1c t 成像原理 电脑断层扫描( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 简称c t 。它是利用x 射线照射人 体，由于人体内不同的组织或器官拥有不同的密度与厚度，故其对x 射线产生 不同程度的衰减作用，从而形成不同组织或器官的灰阶影像对比分布图，进而 以病灶的相对位置、形状和大小等改变来判断病情。c t 由于有电脑的辅助运算， 所以其所呈现的为断层切面分辨率高的影像。其主要特点是具有高分辨率，比 普通x 射线高1 0 2 0 倍，能准确测出某一平面各种不同组织之间的放射衰减特 性的微小差异，能够以图像或数字显示，极其精细地分辨出各种软组织的不同 密度，从而形成对比。c t 与x 射线图像相比，c t 的密度分辨力高，即有高的 密度分辨力( d e n s i t yr e s o l u t i o n ) 。因此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系 数虽多接近于水，但是也能形成对比而成像，这是c t 的突出优点。所以，c t 可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、纵膈、肺、肝、胆、胰以 及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。 在进行c t 检查时，水平轴状切面( h o r i z o n t a la x i a ls e c t i o n ) 是目前最常 用的断层面。断层层面的厚度与部位都可由检查人员决定。常用的层面厚度在 1 0 至1 0 m m 之间，移动病人通过检查机器后，就能陆续获得能组合成身体构 架的多张相接影像。利用较薄的切片能获得较准确的资料，但这时必须对某一 体积的构造进行较多切片才行。 基于c t 扫描的上述特点，本次研究所采用的c t 断层扫描图片是以d i c o m 格式存储，利用实验室已有软件m e d g r a p h i c s 和m i m i c s 对软组织提取的边缘 轮廓线数据以不同格式进行存储，然后利用不同的建模方法来建立软组织实体 模型。 2 3 2c t 图像提取数据的方法和过滤 由于足部骨骼不能直接通过测量仪器来测量各点的三维坐标值，所以本文 是根据c t 断层扫描图片，利用图像处理软件来获得足部各骨骼和软组织轮廓 数据的三维坐标值，然后将得到的轮廓数据进行修整，剔除其中不满足要求的 点，常用的检查方法是将点云数据显示在图形终端上，或生产曲线曲面，在采 用半交互半自动的方法对点云数据进行检查调整。再采用分片建模的方法，并 通过对各表面片的求交与拼接获得c a d 模型。这也是逆向工程的一种，只不 过它的数据来源于医学影像，而不是通过坐标测量机或者激光扫描仪等获取的 实物原型表面点的三维坐标值，我们把这种逆向工程称为影像逆向。 9 基于c t 图像建立c a d 模型具体过程如图2 4 所示 图2 4 基于c t 的c a d 建模过程 本次研究的足部软组织边缘轮廓线数据提取时所采用的软件主要有下边 两种： ( 1 ) m e d g r a p h i c s 软件 m e d g r a p h i c s 软件是上海交通大学拥有自主知识产权的图像处理软件。 在拍摄患病部位的c t 后，该软件能够通过三维图象处理，制作出几何模型， 然后再结合人体力学和生物力学进行精确仿真。它在人造骨方面用的较多， 例如髋、膝、肩、肘、踝、腕关节，以及盆骨、长骨等。它对c t 断层扫描 图像的处理能力非常强大，其能力并不逊于m i m i c s 。 ( 2 )m i m i c s 8 0 软件 m i m i c s 是比利时m a t e r i a l i s e 公司的交互式的医学影像控制系统，可以 根据用户的不同需求有不同的搭配。它是一套高度整合而且易用的3 d 图像 生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据( c t 、m r i ) ，建立3 d 模型 进行编辑，然后输出通用的c a d 、f e a 、r p 格式，可以在p c 机上进行大规 模数据的转换处理。它输出标准的3 d 文件格式，如s t l 或v r m l ( 虚拟实 现文件格式) ，s t l 文件格式可用在任何r p 机器上，强大的自适应过滤功能 显著减小文件的大小，可以从掩模、3 d 图及3 d d 文件格式输出，输出的文 件格式包括：a s c i i s t l 、s t l 、d x f 、v r m l 2 0 、p o i n tc l o u d 。 1 0 由于m e d g r a p h i c s 对c t 断层扫描图像的处理能力非常强大和我们的具 体情况，所以，我们主要利用m e d g r a p h i c s 软件对图像进行处理，其工作界 面如图2 5 所示。 图2 5m e d g r a p h i c s 丁作界面 3 1 几何建模理论 第三章鞋楦三维模型的构建 在逆向工程中，三维c a d 模型是利用产品表面的散乱点数据，通过插值 或者拟合构建一个近似模型来逼近产品原型，是逆向工程的另一个核心和主要 目的，是后续产品加工制造，快速成形，工程分析和产品设计的基础，也是整 个逆向工程中最关键，最复杂的一环，根据描述方法及存储的几何信息，拓扑 信息的不同，三维几何建模系统可以分为三种不同层次的建模类型，即线框建 模，表面建模和实体建模。现代c a d 系统发展方向是将三者有机结合起来， 各用所长，形成一个整体。 3 1 1线框造型 线框造型是用顶点和边的有限集合来表示和建立的计算机模型。线框造型 关注的是形体边界的棱线。线框造型开始于6 0 年代初期，当时主要是为了解决 自动化绘图中的形体在计算机内部的表示问题。线框造型中的棱线，面框，和 独立框模型，就是在这个时期三维几何造型的主流模型，线框造型在计算机辅 助绘图中被普遍采用是因为计算机能准确地计算线框图的项点和边在屏幕和绘 图纸上的位置，可容易地得到物体的正投影，轴侧投影，透视投影，顶点和边 的数据容易获得，造型方法简单，容易实现。但是也存在以下主要缺点：第一， 缺乏有效性，按线框要求定义点表和线表，但定义的对象可能不是一个有效的 物体，因而是无意义的，关键在于对物体的描述和约束不充分。第二，存在多 义性，即一个线框模型可能被解释为不止一个有效实体。第三，不能在任意视 点位置输出曲面物体的轮廓线。第四，线框造型对于平面形体十分有效，但对 于含有曲面的形体局部有明显的不足。 3 1 2曲面造型 曲面造型技术主要是研究曲面的表示，分析和控制，以及由多个曲面块组 成曲面等问题。曲面造型包括规则曲面和不规则曲面。规则曲面如：各种常用 的二次曲面包括椭球面，马鞍面，抛物面等；高次曲面包括圆环面，水波纹面 等；不规则曲面又称离散曲面如b 样条，b e z i e r ，c o a n s 曲面等。 在曲面描述的实际应用中，一般是首先找出曲线的形式，由曲线的描述自 然地推演出参数曲面的描述。这样，参数曲面模型是在一个确定的域内，用一 组离散的型值点和一组约束条件来描述曲面，在满足给定约束条件下可以把参 数曲面看作是由许多曲面片拼合而成。通常，曲线的表示方法有两种，即 1 2 一式融 和参数形式 y x = y ( r ) f= x ( ，) 【z = z ( f ) 在这两种曲线形式中，参数形式较为常见。对于有限区域内的曲线段，一 般用三次方程就可以很好的描述了。如果令t 满足o t p r o f e a t u r e 结构体中的t y p e 、i d 和o w n e r 成员分别描述了该对象的类型、标识号和上 级对象。 在p r o t o o l k i t 中每一类对象都有一个标准名字，采用前缀( p r o ) + 对象名表 示。其中对象名用英文单词表示，第一个字母要大写。如p r o f e a t u r e ( ) 、 p r o s u r f a c e 0 和p r o s o l i d 0 。下面是部分p r o t o o l k i t 对象名称以及在p r o e n g i n e e r 中相对应的名称： p r o f e a t u r e - f e a t u r e p r o e d g e - - - - - - e d g e p r o s u r f a c e s u r f a c ep r o s o l i d s o l i d p r o t o o l k i t 的对象间具有继承关系，如对象p r o f e a t u r e 包含对象p r o s u r f a c e p r o t o o l k i t 函数是对某特定对象的操作。与动作相关的p r o t o o l k i t 函数的命名 规则为： 前缀( p r o ) + 对象名+ 操作名称。如：p r o s o l i d r e g e n e r a t e ( ) ( 特征再生) 、 p r o f e a t u r e d e l e t e ( ) ( 特征删除) 。 有些函数具有不止一个对象的名称，如p r o f e a t u r e p a r e n t s g e t ( ) 和 p r o w c e l l t y p e g e t 0 等。操作提供包括几何模型数值分析的计算结果。操作名说 明执行操作的类型，如下表所示： 操作名操作类型函数 称 g e t 直接从p r o e n g i n e e r 数据库中读取信 p r o s o l i d o u t l i n e g e t ( ) 息 ( 获得实体轮廓) e v a l 提供简单计算的结果p r o e d g e l e n g t h e v a l ( ) ( 计算边长) c o m p u t e提供包括几何模型数值分析的计算结p r o s o l i d o u t l i n e c o m p u t e 果( 实体轮廓的计算) ( 2 ) 对象旬柄 在p r o t o o l k i t 中每一个对象对应于一个结构体，定义该结构体类型的一个 具体的结构体变量称为对象句柄，如：p r o p a r t 表示零件对象，用下边的形式声 明： p r o p a r tn e w p a r t n e w p a r t 就是一个对象句柄。由于p r o p a r t 是一个指向结构体的指针，其定 义为t y p e d e f s t r u c ts l d _ p a r t 幸p r o p a r t ； 因此，n e w p a r t 也是一个指向结构体的指针。实际上p r o t o o l k i t 的对象句 3 2 柄也完全可以理解为对象指针。 按照对象句柄的定义和使用方式分成两种类型：o h a n d l e ( o p a q u eh a n d l e ， 非透明句柄) 和d h a n d l e ( d a t a b a s eh a n d l e ，数据库句柄) 。非透明句柄是使用 p r o e n g i n e e r 数据结构的内存地址引用p r o e n g i n e e r 对象，这是一种最简单的方 式。使用非透明句柄( 称非透明指针) p r o t o o l k i t 应用程序只能获得该对象的 内存地址，不能访问该结构体的具体成员，而使用数据库句柄则可访问该对象 结构体的具体成员。在p r o t o o l k i t 中只是给出了非透明句柄的声明，没给出结 构体的定义，如： t y p e d e f s