研究生逆向工程技术实验理论课3数据处理

1、课程主要内容o 逆向工程概论o 测量设备及方法o 测量数据处理技术o 测量数据曲线、曲面造型原理o 基于CATA的模型重建所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系主要内容o 一、数据处理概述；o 二、测量数据类型；o 三、数据处理方法和技术；重点：测量数据处理拼接、去噪、三角化等方法；所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系一、数据处理概述n 实物样件的测量数据通常不能直接用于其三维模型重建，必须将其输入CAD系统或逆向工程软件中经过一定的数据处理才能消除测量数据中的各种“瑕疵”，以满足模型重建等后续应用的需要。数据处理是逆向工程中的重要环节，将直接影响到后续模型重建的可行

2、性和模型重建的质量。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据瑕疵产生的n 样件超过设备的测量范围或样件结构上的遮挡等，对实物样件进量时，通常不能在同一坐标系下将几何数据一次测出。通常需要在不同视角对样件进行多次测量，然后通过坐标变换将多个视角测得的数据合并（包括拼合与融合）为完整的模型数据。n 环境和人为因素，几乎所有测量方式、测量系统在测量过程中将不可避免地存在误差，使测量数据失真，尤其是测量数据。边和边界附近的所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据瑕疵产生的n 现代化的非接触式测量设备的数据点具有密度高、数据量大、无序的特点，通常称之为“点云”(Point C

3、loud)。“点云”除了包含用以表现模型形状特性所必需的信息外，还包含了较多冗余的数据，可以将数据进行简化以提高模型重建算法的效率。n 由于遮挡、和测量设备的限制，通常会导致一部分数据的，使测量数据出现如孔洞和缺口，增加模型重构的难度。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据瑕疵产生的n 一些特定的应用对测量数据的格式有一定的要求，如计算机动画制作、实验数据的可视化分析、快速原型制造需求多面体模型。而各种测量设备和测量方法得到的数据格式差别很大， 不一定满足正好应用的要求。n 具有复杂结构的样件往往包含多个表面特征， 后得到的通常是模型的整体外形数据，需要把外形数据中具有相似几何

4、特性的区域加以分割、组合，以方便后续的各曲面分别重建， 满足模型基于特征重建的需要。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系二、测量数据类型n 按照测量数据数量通常可以分为一般数据点和“点云”数据。早期的触发式CMM自动化程度低、效率较低，其得到的数据通常密度小、数量少，可以称为一般数据点。而除此之外的测量方法，如接触式连续扫描技术、各类非接触式测量技术，很短时间内进行高精度、高密度数据采样，测量数据量可以达到几十万、几百万甚至上千万，在逆向工程中通常将此类数据称为“点云”（Point Cloud）。工程应用中，测量数据通常都是这种密集、海量的“点云”数据。所有，上传至网上公开文库N

5、UAA航空宇航制造工程系二、测量数据类型n “点云”数据: 三中的数据点的集合，为了能有效处理各种形式根据“点云”，可以根据点的分布特征(如排列方式、密度等)将 “点云”分为：z散乱“点云”（Scattered）z扫描线“点云”（Scan Line）z 栅格“点云”（Grid）z多边形“点云”（Section Polyline）z多面体网格“点云”（Polygonal Mesh ）所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系散乱“点云”（Scattered）测量点没有明显的几何分布特性或结构性，呈散乱无序状态。随机扫描下的CMM，光学测量系统多张数据拼合后的模型。所有，上传至网上公开文库

6、NUAA航空宇航制造工程系散乱“点云”模型所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系扫描线“点云”（Scan Line）n 由一组扫描线组成，扫描线上所有点位于扫描平面内。n CMM、激光三角测量系统沿直线扫描的测量数据和线结构光扫描测量数据。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系栅格“点云”（Grid）n 所有点与参数域中一个均匀网格的顶点对应。将CMM、激光扫描系统、投影光栅测量系统及立体视差法获得的数据经过网格化插值后得到的“点云”即为栅格“点云”。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系栅格“点云”（Grid）所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工

7、程系多边形“点云”（Section Polyline）n 测量点分布在一系列平行平面内，用一小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接，可形成有嵌套的平行多边形n 层切法、核磁共振、工业CT所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系多面体网格“点云”（Polygonal Mesh）n 由多边形平面片通过边和顶点连接而成的分片线性曲面，多边形网格对于复杂拓扑的几何形状的描述能力强，通过对多边形进行消隐着色，又可以得到较好的视觉效果。n 其中三角网格(Triangular Mesh)由于其简单性和典型性得到的研究和应用。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系三角网格模型所有

8、，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系三、数据处理技术和方法1、多视拼合2、数据简化3、数据平滑4、数据修补5、三角化6、数据分块所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系3.1、多视拼合n 对齐问题开始是在计算机动画及图形学研究中提出，主要是用于处理模型的刚体运动以及刚性物体相对一个参考的位置，包括三维数据点集、线段、自由曲线、曲面的对齐，其中三维数据点集对齐是一种常见的对齐处理问题，一些形状描述开始是以点集形式表现的领域，如逆向工程，计算机图像处理等需要进行数据对齐处理。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系问题的来源n 样件不能一次测出超出测量机的行程，n 在

9、部分区域测量探头受被测实物几何形状的阻碍以及不能触及的，n 一次测量结束后，发现部分数据质量不好，需补测。n 配合件由于配合要求，希望整体装配测量，能在同一坐标系下，诸如汽车、摩托车的外形覆盖件，其外观的质量及零件的配合轮廓的贴合、共线要求较高，由于测量及造型过程中的误差，如果基于零件设计，在装配时会出现配合边界不一致，贴合性不好，修改曲面边界会使曲面的光顺性变差。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系拼合定义n 多视拼合在几何模型构建时必须将这些不同坐标系下的多视数据变换或统一到同一个坐标系中，此数据处理过程称为多视拼合(Registration)，或重等。n 将数据点集看作一个

10、刚体（数据点运动时只存在坐标变化、不产生形状变化），两个数据点集的对齐都属于空间刚体移动，因此多视对齐可看作空间两个刚体的坐标转换，问题归结为求解相应的转换矩阵，移动矩阵T 和旋转矩阵R。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法最近点迭代算法(Iterative Closest Point)所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法移动曲线moving固定fixed开始时有两个分离的曲线或曲面所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法粗调整过程所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法粗调整过程所有，上传至网上公开文库航

11、空宇航制造工程系NUAAICP算法粗调整过程所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法在移动的曲线上采点所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法找相对固定曲线的最近点所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法将曲线间的配准问题转换成点集间的对齐问题所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法点集间进行对齐所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法载入固定曲线，进行下一次的最近点迭代所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法找相对固定曲线的最近点所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造

12、工程系ICP算法点集间进行对齐所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法寻找最近点测量点集间的距离 点集间进行坐标对齐zzz当距离小于阈值时停止迭代z所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法综合示例所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法综合示例所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法改进是最近点吗？所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系ICP算法改进点到平面取代点到点所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据拼合实际应用n 通常，用少量对应点进行粗；n 如在Atos中，用视图之间重叠区域的公

13、共n 在Geomagic软件中，用户选定的至少3对或以上的点对n 然后，用ICP算法对所有测量点实施精n 最小二乘法求解，速度较慢。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系MBB模具测量数据进行对齐所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据融合n 由于进行多次测量，经过多视之后的数据不可避免地存在重叠区（重叠数据），因此应对重叠区进行数据融合处理，从而使这些数据能够形成一个单一的数据点集。数据融合一方面需要保证视图之间数据的平滑过渡，另外一方面又不能使原有的数据产生过多的“失真”。n 主要方法：基于点的数据融合基于网格的数据融合所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造

14、工程系数据融合数据点简单叠加融合后的整体数据模型所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据简化n 问题的提出激光扫描测量每分钟会产生成千上万个数据点，怎样处理这些大批量的数据成为基于激光扫描测量造型的主要问题。如果直接对点云进行造型处理，大量的数据进行和处理也成了不可的瓶颈，从数据点生成模型表面要花很长一段时间，整个过程也会变得难以。实际上并不是所有的数据点对模型重建都有用，因此有必要在保证一定精度的前提下减少扫描数据量，减少冗余数据信息，同时保证后续建模的精度。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据简化n 通常需要各种“点云”类型的特点设计性强的精简算法。n 扫描

15、线点云和多边形点云(等间距均匀简化、倍率简化、等量简化、弦偏差简化等)n 散乱点云(随机采样、均匀（非均匀）网格、法向距离简化等)n 网格化“点云”(等分布密度法、最小包围区域法进行数据缩减)n 按给定数据点个数简化n 按给定数据点间的距离简化n 按给定的法向精度简化所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据简化对佛像模型测量数据进行简化的例子，其原始点集为自动断层扫描测量机测量的数据。原始数据点集，491205点按指定距离数据简化，56217点所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据简化(a） 69351个三角片（b）18566个三角片(c)5234个三角片(d)1

16、118个三角片所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据简化所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据平滑n 在获得的测量数据时，由于测量环境的振动、表面光洁度、表面涂层对光线的反射率等因素的影响，会引起测量噪声。另外，由于某些测量方法本身的特点，使测量数据在陡峭直壁和棱边处的测量数据很不可靠，存在较大的噪声。数据平滑处理运用信号处理中的原理，通过设计合适的滤波函数，对呈现高频信号的噪音数据进行平滑处理。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据平滑实例所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据平滑实例所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造

17、工程系数据修补n 在测量过程中，由于遮挡和测量设备的限制，会导致一部分数据的，使测量数据出现孔洞和缺口，增加模型重构的难度。为了尽可能地获得完整的模型信息以利于重建算法的设计和提高重构精度，有必要对测量数据进行修补。数据修补是利用周边数据点的坐标信息插值缺损处的数据 点，因此需要建立数据点间的拓扑关系。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据修补修复前修复后所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据修补某型飞机垂尾测量数据修复结果局部放大所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系三角网格化（三角剖分）满足条件：1. 除了端点，平面图中的边不包含点集中的任何点。

18、2. 没有相交边。3. 平面图中所有的面都是三角面，且所有三角面的 合集就是点集V的凸包。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系Delaunay三角剖分Voronoi图是由多边形区域的集合（有些区域可能不是闭合的），该区域仅含点集中的一个点v，区域中的任何位置到v的距离都比该位置到点集中其它所有点的距离短。所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系Delaunay三角剖分所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系Delaunay三角剖分所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系Delaunay三角剖分1934年Delaunay提出了Voronoi图的对称图，即Delaunay 三角网（用直线段连接两个相邻多边形内的离散点而生成的三角网）。所0 有，上传至网上公开文库NUAA航57空宇航制造工程系2014Delaunay三角剖分所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系Delaunay 三角剖分所有，上传至网上公开文库NUAA航空宇航制造工程系数据分块n 问题的来源？对复杂外形的零件，用单张曲面拟合整体外形数据会带来极大的误差甚至难以实现，通常需要根据实物样件的原始构形规律，将测量数据进行分块，重现模型的基本型面、过渡、裁剪等信息，即将数据划分为代表不同曲面类型的数据区域，使同一区