逆向工程关键技术.docx

1.3 逆向工程中的关键技术 之邯郸勺丸创作1.3.1 数据收集技术目前，用来收集物体概况数据的丈量设备和方法多种多样，其原理也各不相同丈量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题分歧的丈量方式，不单决定了丈量自己的精度、速度和经济性，还造成丈量数据类型及后续处理方式的分歧根据丈量探头是否和零件概况接触，逆向工程中物体概况数字化三维数据的收集方法基本上可以分为接触式 (Contact) 和非接触式( Noncontact )两种接 触 式 包 含 三 坐 标 丈 量 机 ( Coordinate Measuring Machining , CMM和关节臂丈量机；而非接触式主要有基于光学 的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波、磁学的方法等这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种丈量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定目前，还没有找到一种完全使用于工业设计逆向丈量方法各种数据收集方法分类如图 1.3 所示在接触式丈量方法中，CMM是应用最为广泛的一种丈量设备； CMMS常是基于力-变形原理，通过接触式探头沿样件概况移动并 与概况接触时发生变形，检测出接触点的三维坐标，按采样方式又可分为单点触发式和连续扫描式两种。

CMM对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的丈量精度(士 0.5 ^m),对物体鸿沟和特征点的丈量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特 征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则零件反求特别有效主 要缺点是效率低，丈量过程过分依赖于丈量者的经验，特别是对 于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样战略与路径于光学、声学、磁学等领域中的基来源根基理，将一定的物理模 拟量通过适当的算法转化为样件概况的坐标点一般经常使用的非接触式丈量方法分为主动视觉和主动视觉两大类主动式方法中无特殊光源，只能接收物体概况的反射信息，因而设备简单，操纵方便，成本低，可用于户外和远距离观察中，特别适用于由于环境限制不克不及使用特殊照明装置的应用场合，但算法较复杂；主动方法使用一个专门的光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，使系统获得更多的有用信息，降低问题难度主动式非接触丈量的理论基础是计算机视觉中的三维视觉重建根据可利用的视觉信息，主动视觉方法包含由明暗恢复形状（Shape From Shading , SF0、由纹理恢复形状、光度立体法、立体视觉和由遮挡轮廓恢复形状等，其中在工程中应用较多的是后两种方法。

立体视觉又称为双目视觉或机器视觉，其基来源根基理是从两个（或多个）视点观察同一景物，以获取分歧视角下的感知图像，通过三角丈量原理计算图像像素间的位置偏差（即视差）来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的双目立体视觉的原理如图 1.4 所示，其中 P 是空间中任意一点，C1、C2是两个摄像机的焦点，类似于人的双眼， P1、P2是P点在两个成像面上的像点空间点 P、 C1、 C2 形成一个三角形，且连线C1P与像平面交于 P1点，连线C1P与像平面交于 P2点因此，若已知像点 pl、p2,则连线 C1P1和C2P2必交于空间点 P,这种确定空间点坐标的方法称为三角丈量原理图 1.4 立体视觉原理图一个完整的立体视觉系统通常由图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、深度确定和内插 6 部分组成由于它直接模拟了人类视觉的功能，可以在多种条件下灵活地丈量物体的立体信息；而且通过采取高精度的边沿提取技术，可以获得较高的空间地位精度（相对误差为 1%~2%），因此在计算机主动测距中得到广泛应用但立体匹配始终是立体视觉中最重要的也是最困难的问题，其有效性有赖于三个问题的解决，即选择正确的匹配特征，特征间的实质属性及建立能正确匹配所选特征的稳定算法。

虽然已提出了大量各具特色的匹配算法，但场景中光照、物体的几何形状与物理性质、摄像机特性、噪声干扰和畸变等诸多因素影响，至今仍未有很好地解决利用图像平面上将物体与背影分割开来的遮挡轮廓信息来重构概况，称为遮挡轮廓恢复形状，其原理如图 1.5 中所示将视点与物体的遮挡轮廓线相连，即可构成一个视锥体当从分歧的视点观察时，就会形成多个视锥体，物体一定位于这些视锥体的共同交集内因此，通过体相交法，将各个视锥体相交便得到了物体的三维模型图 1.5 体相交法原理遮挡轮廓恢复形状方法通常由相机标定、遮挡轮廓提取以及物体与轮廓间的投影相交三个步调完成，而且遮挡轮廓恢复形状方法在实现时仅涉及基本的矩阵运算，因此具有运算速度快、计算过程稳定、可获得物体概况致密点集的优点缺点是精度较低，难以达到工程实用的要求，目前多用于计算机动画、虚拟现实模型、网上展示等场合，而且该方法无法应用于某些具有凹陷概况的物体如美国 Immersion 公司开发了 Lightscribe 系统，该系统由摄像头、布景屏幕、旋转平台及软件系统组成首先对放置在自动旋转平台上的物体进行摄像，将摄得的图像输入软件后利用体相交技术可自动生成物体的三维模型，但对于物体概况的一些局部细节和凹陷区域，该系统还需要结合主动式的激光扫描进行细化。

随着主动测距手段的日趋成熟，在条件允许的情况下，工程应用更多使用的是主动视觉方法主动视觉是指丈量系统向被测物体投射出特殊的结构光，通过扫描、编码或调制，结合立体视觉技术来获得被测物体的三维信息对于平坦的、无明显灰度、纹理或形状变更的概况区域，用结构光可形成明亮的条纹，作为一种“人工特征”施加到物体概况，从而方便图像的分析和处理根据分歧的原理，应用较为成熟的主动视觉方法又可分为激光三角法和投影栅法两类激光三角法是目前最成熟，也是目前应用最广泛的一种主动式方法激光扫描的原理如图 1.6 所示由激光发出的光束，经过一组改变方向的反射镜组成的扫描装置变向后，投射到被测物体上摄像机固定在某个视点上观察物体概况的漫射点，图中激光束的方向角 口和摄像机与反射镜间的基线位置是已知的，B可由焦距 f 和成像点的位置确定因此，根据光源、物体概况反射点及摄像机成像点之间的三角关系，可以计算出概况反射点的三维坐标激光三角法的原理与立体视觉在实质上是一样的，分歧之处是将立体视觉方法中的一个“眼睛”置换为光源，而且在物体空间中通过点、线或栅格形式的特定光源来标识表记标帜特定的点，可以防止立体视觉中对应点匹配的问题。

激光三角法具有丈量速度快，而且可达到较高的精度(±0.05 mm)等优点，但存在的主要问题是对被测物体概况的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，存在由遮挡造成的阴影效应，对突变的台阶和深孔结构容易发生数据丢失图 1.6 激光三角法原理在主动式方法中，除了激光以外，也可以采取光栅或白光源投影投影光栅发的基本思想是把光栅投影到被测物体概况上，受到被测物体概况高度的调制，光栅投影线发生变形，变形光栅携带了物体概况的三维信息，通过解调变形的光栅影线，从而得到被测概况的高度信息，其原理如图 1.7 中所示入射光线P照射到参考平面上的 A点，放上被测物体后，P照射到物体上的 B 点，此时从图示方向观察， A 点就移动到新的位置 C 点，距离 AC 就携带了物体概况的高度信息 Z=h（ x,y ），即高度受到了概况形状的调制依照分歧的解调原理，就形成了诸如莫尔条纹法、傅里叶变换轮廓法和相位丈量法等多种投影光栅的方法图 1.7 投影光栅法原理图投影光栅法的主要优点是丈量范围大、速度快、成本低、且精度较高（士 0.04 mm）；缺点是只能丈量概况起伏不大较平坦的物体，对于概况变更剧烈的物体，在陡峭处往往会发生相位突变，使丈量精度大大降低。

总的来说，精度与速度是数字化方法最基本的指标数字化方法的精度决定了 CAD模型的精度及反求的质量，丈量速度也在很大程度上影响着反求过程的快慢目前，经常使用的各种方法在这两方面各有优缺点，且有一定的适用范围，所以在应用是应根据被测物体的特点及对丈量精度的要求来选择对应的丈量方法在接触式丈量方法中， CMM是应用最广泛的一种丈量设备；而在非接触式丈量方法中，结构光法被认为是目前最成熟的三维形状丈量方法，在工业界广泛应用，德国 GO泌司研发的ATOS±量系统及Steinbicher 公司的COMETt量系统都是这种方法的典型代 表表1.1对CMMW激光扫描数字化丈量方法进行了全面比较， 从表中可以清楚的看出，每一种丈量方法都有其优势与缺乏，在 实际丈量中，两种丈量技术的结合将能够为逆向工程带来很好的 弹性，有助于逆向工程的进行表1.1三坐标丈量和激光扫描丈量优缺点比 较三坐标丈量数据收集激活扫描丈量数据收集优 点峨据收集精度高；-T使用的技术广泛；・ 具备在一定遮挡场合进行数据收集的能力；・ 1 攵集的离散点集 CAD软件处理容易；・ 不会破坏数字化对象• 数字化速度快，整个丈量过程时间短；• 收集的数据密度大，有助于改善建模的可视节分析• 无须过多的数据收集预先规划；• 不破坏数字化对象；• 可以对柔软或易碎对象进行丈量缺 点•:量过程周期长，探头半径抵偿繁琐；及对物体内部实现丈量；t软工件或易碎件实现丈量的能力有限；量前必须制定相应的丈量规划和战略；・探头的半径大小限制了对工件细部特征的丈量•耍实现对高反射光或发散光的工件概况进行 需要使用着色剂；•4、克/、及对物体内部或者被遮挡的几何特征 量；•许多CAD软件往往不容易处理丈量所获取 度离散几何数据；・技术成本高；•扫描设备需要与被测对象隔开一定的距离， 个系统的工作空间目前，除了充分发挥现有数字化方法的特点与优势外，一个重要的研究方向就是以传感器规划和信息融合为基础，开发多种 数字化方法的联合使用方法与集成系统，其中 CMM与视觉方法的集成由于在丈量速度，精度与物理特性等方面具有较强的互补性，是目前最具有发展前景的集成数字方法。

但如何提高集成过程中的自动化、智能化程度，以下一些关键问题值得进一步研究：（ 1）基于视觉技术的鸿沟轮廓和物体特征的识别方法；（2） CM噌能化丈量技术；（ 3）高效的多传感器数据融合方法；（ 4）考虑后续的模型重建的要求，数字化过程与概况重构的集成化研究1.3.2 CAD 建模技术产品的三维CAD建模是指从一个已有的物理模型或者实物零件 发生出相应的 CAD模型的过程，包含物体离散数据点的网格化、 特征提取、概况分片和曲面生成等，是整个逆向过程中最关键、最复杂的一环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模型支持其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、丈量和数控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学术界，尤其是 CAD/CAMM域广泛关注的热点和难度问题在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况未几，产品往往有多张曲面混合而成由于组成曲面类型分歧，因此， CAD 模型重 建的一般步调：先根据几何特征对点云数据进行分割，然后分别 对各个曲面片进行拟合，再通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒 圆、等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体，即重建的 CAD模 型在逆向工程应用初期，由于没有专用的逆向软件，只能选择一些正向的 CAD系统来完成模型的重建；后来，为满足复杂曲面 重建的要求，一些软。