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1、1.3 逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù) 1.3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 目前，用來(lái)采集物體表面數(shù)據(jù)的測(cè)量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。測(cè)量方法的選用是逆向工程中一個(gè)非常重要的問(wèn)題。不同的測(cè)量方式，不但決定了測(cè)量本身的精度、速度和經(jīng)濟(jì)性，還造成測(cè)量數(shù)據(jù)類型及后續(xù)處理方式的不同。根據(jù)測(cè)量探頭是否和零件表面接觸，逆向工程中物體表面數(shù)字化三維數(shù)據(jù)的采集方法基本上可以分為接觸式(Contact)和非接觸式（Non-contact）兩種。 接觸式包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machining，CMM）和關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)；而非接觸式主要有基于光學(xué)的激光三角法、激光測(cè)

2、距法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法以及基于聲波、磁學(xué)的方法等。這些方法都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，具體選用何種測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體的形體特征和應(yīng)用目的來(lái)決定。目前，還沒(méi)有找到一種完全使用于工業(yè)設(shè)計(jì)逆向測(cè)量方法。各種數(shù)據(jù)采集方法分類如圖1.3所示。 在接觸式測(cè)量方法中，CMM是應(yīng)用最為廣泛的一種測(cè)量設(shè)備；CMM通常是基于力-變形原理，通過(guò)接觸式探頭沿樣件表面移動(dòng)并與表面接觸時(shí)發(fā)生變形，檢測(cè)出接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，按采樣方式又可分為單點(diǎn)觸發(fā)式和連續(xù)掃描式兩種。CMM對(duì)被測(cè)物體的材質(zhì)和色澤沒(méi)有特殊要求，可達(dá)到很高的測(cè)量精度（0.5μm），對(duì)物體邊界和特征點(diǎn)的測(cè)量相對(duì)精確，對(duì)于沒(méi)有復(fù)雜內(nèi)部型

3、腔、特征幾何尺寸多、只有少量特征曲面的規(guī)則零件反求特別有效。主要缺點(diǎn)是效率低，測(cè)量過(guò)程過(guò)分依賴于測(cè)量者的經(jīng)驗(yàn)，特別是對(duì)于幾何模型未知的復(fù)雜產(chǎn)品，難以確定最優(yōu)的采樣策略與路徑。 計(jì)算機(jī)斷層掃描 X射線法 激光三角法 激光測(cè)距法 非接觸式 結(jié)構(gòu)光法 光學(xué)法 圖像分析法 超聲波法 聲波法 核磁共振法 磁學(xué)法 機(jī)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī) CMM 激光追蹤 層析法 組合式 接觸式 逆向工程數(shù)據(jù)采集方法 圖1.3 逆向工程數(shù)據(jù)采集方法分類 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CMM也由以前的機(jī)械式發(fā)展為目前的計(jì)算機(jī)數(shù)字控

4、制（CNC）型的高級(jí)階段。目前，智能化是CMM發(fā)展的方向。智能測(cè)量機(jī)的研究是利用計(jì)算機(jī)內(nèi)的知識(shí)庫(kù)與決策庫(kù)確定測(cè)量策略，其關(guān)鍵技術(shù)包括零件位置的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、測(cè)量決策智能化和測(cè)量路徑規(guī)劃、CAD/CAM集成技術(shù)等。 隨著快速測(cè)量的需求及光電技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)圖像處理為主要手段的非接觸式測(cè)量技術(shù)得到飛速發(fā)展，該方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。一般常用的非接觸式測(cè)量方法分為被動(dòng)視覺(jué)和主動(dòng)視覺(jué)兩大類。被動(dòng)式方法中無(wú)特殊光源，只能接收物體表面的反射信息，因而設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，可用于戶外和遠(yuǎn)距離觀察中，特別適用于由于環(huán)

5、境限制不能使用特殊照明裝置的應(yīng)用場(chǎng)合，但算法較復(fù)雜；主動(dòng)方法使用一個(gè)專門的光源裝置來(lái)提供目標(biāo)周圍的照明，通過(guò)發(fā)光裝置的控制，使系統(tǒng)獲得更多的有用信息，降低問(wèn)題難度。 被動(dòng)式非接觸測(cè)量的理論基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的三維視覺(jué)重建。根據(jù)可利用的視覺(jué)信息，被動(dòng)視覺(jué)方法包括由明暗恢復(fù)形狀（Shape From Shading，SFS）、由紋理恢復(fù)形狀、光度立體法、立體視覺(jué)和由遮擋輪廓恢復(fù)形狀等，其中在工程中應(yīng)用較多的是后兩種方法。 立體視覺(jué)又稱為雙目視覺(jué)或機(jī)器視覺(jué)，其基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取不同視角下的感知圖像，通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差（即視差）來(lái)獲取景物的三維

6、信息，這一過(guò)程與人類視覺(jué)的立體感知過(guò)程是類似的。 雙目立體視覺(jué)的原理如圖1.4所示，其中P是空間中任意一點(diǎn)，C1、C2是兩個(gè)攝像機(jī)的焦點(diǎn)，類似于人的雙眼，P1、P2是P點(diǎn)在兩個(gè)成像面上的像點(diǎn)。空間點(diǎn)P、C1、C2形成一個(gè)三角形，且連線C1P與像平面交于P1點(diǎn)，連線C1P與像平面交于P2點(diǎn)。因此，若已知像點(diǎn)p1、p2，則連線C1P1和C2P2必交于空間點(diǎn)P，這種確定空間點(diǎn)坐標(biāo)的方法稱為三角測(cè)量原理。 圖1.4 立體視覺(jué)原理圖 一個(gè)完整的立體視覺(jué)系統(tǒng)通常由圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、立體匹配、深度確定和內(nèi)插6部分組成。由于它直接模擬了人類視覺(jué)的功能，可以在多種條件下靈活地測(cè)量物體的

7、立體信息；而且通過(guò)采用高精度的邊緣提取技術(shù)，可以獲得較高的空間地位精度（相對(duì)誤差為1%~2%），因此在計(jì)算機(jī)被動(dòng)測(cè)距中得到廣泛應(yīng)用。但立體匹配始終是立體視覺(jué)中最重要的也是最困難的問(wèn)題，其有效性有賴于三個(gè)問(wèn)題的解決，即選擇正確的匹配特征，特征間的本質(zhì)屬性及建立能正確匹配所選特征的穩(wěn)定算法。雖然已提出了大量各具特色的匹配算法，但場(chǎng)景中光照、物體的幾何形狀與物理性質(zhì)、攝像機(jī)特性、噪聲干擾和畸變等諸多因素影響，至今仍未有很好地解決。 利用圖像平面上將物體與背影分割開(kāi)來(lái)的遮擋輪廓信息來(lái)重構(gòu)表面，稱為遮擋輪廓恢復(fù)形狀，其原理如圖1.5中所示。將視點(diǎn)與物體的遮擋輪廓線相連，即可構(gòu)成一個(gè)視錐體。當(dāng)從不同的視

8、點(diǎn)觀察時(shí)，就會(huì)形成多個(gè)視錐體，物體一定位于這些視錐體的共同交集內(nèi)。因此，通過(guò)體相交法，將各個(gè)視錐體相交便得到了物體的三維模型。 圖1.5 體相交法原理 遮擋輪廓恢復(fù)形狀方法通常由相機(jī)標(biāo)定、遮擋輪廓提取以及物體與輪廓間的投影相交三個(gè)步驟完成，而且遮擋輪廓恢復(fù)形狀方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)僅涉及基本的矩陣運(yùn)算，因此具有運(yùn)算速度快、計(jì)算過(guò)程穩(wěn)定、可獲得物體表面致密點(diǎn)集的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是精度較低，難以達(dá)到工程實(shí)用的要求，目前多用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)模型、網(wǎng)上展示等場(chǎng)合，而且該方法無(wú)法應(yīng)用于某些具有凹陷表面的物體。如美國(guó)Immersion公司開(kāi)發(fā)了Lightscribe系統(tǒng)，該系統(tǒng)由攝像頭、背景屏幕、

9、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及軟件系統(tǒng)組成。首先對(duì)放置在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的物體進(jìn)行攝像，將攝得的圖像輸入軟件后利用體相交技術(shù)可自動(dòng)生成物體的三維模型，但對(duì)于物體表面的一些局部細(xì)節(jié)和凹陷區(qū)域，該系統(tǒng)還需要結(jié)合主動(dòng)式的激光掃描進(jìn)行細(xì)化。 隨著主動(dòng)測(cè)距手段的日趨成熟，在條件允許的情況下，工程應(yīng)用更多使用的是主動(dòng)視覺(jué)方法。主動(dòng)視覺(jué)是指測(cè)量系統(tǒng)向被測(cè)物體投射出特殊的結(jié)構(gòu)光，通過(guò)掃描、編碼或調(diào)制，結(jié)合立體視覺(jué)技術(shù)來(lái)獲得被測(cè)物體的三維信息。對(duì)于平坦的、無(wú)明顯灰度、紋理或形狀變化的表面區(qū)域，用結(jié)構(gòu)光可形成明亮的條紋，作為一種“人工特征”施加到物體表面，從而方便圖像的分析和處理。根據(jù)不同的原理，應(yīng)用較為成熟的主動(dòng)視覺(jué)方法又可分為激

10、光三角法和投影柵法兩類。 激光三角法是目前最成熟，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種主動(dòng)式方法。激光掃描的原理如圖1.6所示。由激光發(fā)出的光束，經(jīng)過(guò)一組改變方向的反射鏡組成的掃描裝置變向后，投射到被測(cè)物體上。攝像機(jī)固定在某個(gè)視點(diǎn)上觀察物體表面的漫射點(diǎn)，圖中激光束的方向角α和攝像機(jī)與反射鏡間的基線位置是已知的，β可由焦距f和成像點(diǎn)的位置確定。因此，根據(jù)光源、物體表面反射點(diǎn)及攝像機(jī)成像點(diǎn)之間的三角關(guān)系，可以計(jì)算出表面反射點(diǎn)的三維坐標(biāo)。激光三角法的原理與立體視覺(jué)在本質(zhì)上是一樣的，不同之處是將立體視覺(jué)方法中的一個(gè)“眼睛”置換為光源，而且在物體空間中通過(guò)點(diǎn)、線或柵格形式的特定光源來(lái)標(biāo)記特定的點(diǎn)，可以避免立體視覺(jué)

11、中對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的問(wèn)題。 激光三角法具有測(cè)量速度快，而且可達(dá)到較高的精度（0.05㎜）等優(yōu)點(diǎn)，但存在的主要問(wèn)題是對(duì)被測(cè)物體表面的粗糙度、漫反射率和傾角過(guò)于敏感，存在由遮擋造成的陰影效應(yīng)，對(duì)突變的臺(tái)階和深孔結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。 圖1.6 激光三角法原理 在主動(dòng)式方法中，除了激光以外，也可以采用光柵或白光源投影。投影光柵發(fā)的基本思想是把光柵投影到被測(cè)物體表面上，受到被測(cè)物體表面高度的調(diào)制，光柵投影線發(fā)生變形，變形光柵攜帶了物體表面的三維信息，通過(guò)解調(diào)變形的光柵影線，從而得到被測(cè)表面的高度信息，其原理如圖1.7中所示。 入射光線P照射到參考平面上的A點(diǎn)，放上被測(cè)物體后，P照射到

12、物體上的B點(diǎn)，此時(shí)從圖示方向觀察，A點(diǎn)就移動(dòng)到新的位置C點(diǎn)，距離AC就攜帶了物體表面的高度信息Z=h（x,y），即高度受到了表面形狀的調(diào)制。按照不同的解調(diào)原理，就形成了諸如莫爾條紋法、傅里葉變換輪廓法和相位測(cè)量法等多種投影光柵的方法。 圖1.7 投影光柵法原理圖 投影光柵法的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍大、速度快、成本低、且精度較高（0.04㎜）；缺點(diǎn)是只能測(cè)量表面起伏不大較平坦的物體，對(duì)于表面變化劇烈的物體，在陡峭處往往會(huì)發(fā)生相位突變，使測(cè)量精度大大降低。 總的來(lái)說(shuō)，精度與速度是數(shù)字化方法最基本的指標(biāo)。數(shù)字化方法的精度決定了CAD模型的精度及反求的質(zhì)量，測(cè)量速度也在很大程度上影響著反求過(guò)程

13、的快慢。目前，常用的各種方法在這兩方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，且有一定的適用范圍，所以在應(yīng)用是應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體的特點(diǎn)及對(duì)測(cè)量精度的要求來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法。在接觸式測(cè)量方法中，CMM是應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)量設(shè)備；而在非接觸式測(cè)量方法中，結(jié)構(gòu)光法被認(rèn)為是目前最成熟的三維形狀測(cè)量方法，在工業(yè)界廣泛應(yīng)用，德國(guó)GOM公司研發(fā)的ATOS測(cè)量系統(tǒng)及Steinbicher公司的COMET測(cè)量系統(tǒng)都是這種方法的典型代表。表1.1對(duì)CMM與激光掃描數(shù)字化測(cè)量方法進(jìn)行了全面比較，從表中可以清楚的看出，每一種測(cè)量方法都有其優(yōu)勢(shì)與不足，在實(shí)際測(cè)量中，兩種測(cè)量技術(shù)的結(jié)合將能夠?yàn)槟嫦蚬こ處?lái)很好的彈性，有助于逆向工程的進(jìn)行。 表1.1

14、 三坐標(biāo)測(cè)量和激光掃描測(cè)量?jī)?yōu)缺點(diǎn)比較 三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)采集 激活掃描測(cè)量數(shù)據(jù)采集 優(yōu)點(diǎn) ●數(shù)據(jù)收集精度高； ●可使用的技術(shù)廣泛； ●具備在一定遮擋場(chǎng)合進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的能力； ●收集的離散點(diǎn)集CAD軟件處理容易； ●不會(huì)破壞數(shù)字化對(duì)象 ●數(shù)字化速度快，整個(gè)測(cè)量過(guò)程時(shí)間短； ●收集的數(shù)據(jù)密度大，有助于改善建模的可視化和細(xì)節(jié)分析 ●無(wú)須過(guò)多的數(shù)據(jù)收集預(yù)先規(guī)劃； ●不破壞數(shù)字化對(duì)象； ●可以對(duì)柔軟或易碎對(duì)象進(jìn)行測(cè)量 缺點(diǎn) ●測(cè)量過(guò)程周期長(zhǎng)，探頭半徑補(bǔ)償繁瑣； ●不能對(duì)物體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)測(cè)量； ●對(duì)軟工件或易碎件實(shí)現(xiàn)測(cè)量的能力有限； ●測(cè)量前必須制定相應(yīng)的測(cè)量規(guī)劃和

15、策略； ●探頭的半徑大小限制了對(duì)工件細(xì)部特征的測(cè)量 ●要實(shí)現(xiàn)對(duì)高反射光或發(fā)散光的工件表面進(jìn)行測(cè)量，需要使用著色劑； ●不能對(duì)物體內(nèi)部或者被遮擋的幾何特征進(jìn)行測(cè)量； ●許多CAD軟件往往不易處理測(cè)量所獲取的高密度離散幾何數(shù)據(jù)； ●技術(shù)成本高； ●掃描設(shè)備需要與被測(cè)對(duì)象隔開(kāi)一定的距離，增大整個(gè)系統(tǒng)的工作空間 目前，除了充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)字化方法的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)外，一個(gè)重要的研究方向就是以傳感器規(guī)劃和信息融合為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)多種 數(shù)字化方法的聯(lián)合使用方法與集成系統(tǒng)，其中CMM與視覺(jué)方法的集成由于在測(cè)量速度，精度與物理特性等方面具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，是目前最具有發(fā)展前景的集成數(shù)字方法。但如何提高集成過(guò)程

16、中的自動(dòng)化、智能化程度，以下一些關(guān)鍵問(wèn)題值得進(jìn)一步研究： （1）基于視覺(jué)技術(shù)的邊界輪廓和物體特征的識(shí)別方法； （2）CMM智能化測(cè)量技術(shù)； （3）高效的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法； （4）考慮后續(xù)的模型重建的要求，數(shù)字化過(guò)程與表面重構(gòu)的集成化研究。 1.3.2 CAD建模技術(shù) 產(chǎn)品的三維CAD建模是指從一個(gè)已有的物理模型或者實(shí)物零件產(chǎn)生出相應(yīng)的CAD模型的過(guò)程，包括物體離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整個(gè)逆向過(guò)程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，也為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和加工制造等應(yīng)用提供數(shù)學(xué)模型支持。其內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)、圖像處理、圖形學(xué)、計(jì)算幾何、測(cè)量和數(shù)控加工等

17、眾多交叉學(xué)科和工程領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界，尤其是CAD/CAM領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)和難度問(wèn)題。 在實(shí)際的產(chǎn)品中，只由一張曲面構(gòu)成的情況不多，產(chǎn)品往往有多張曲面混合而成。由于組成曲面類型不同，因此，CAD模型重建的一般步驟：先根據(jù)幾何特征對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，然后分別對(duì)各個(gè)曲面片進(jìn)行擬合，再通過(guò)曲面的過(guò)渡、相交、裁剪、倒圓、等手段，將多個(gè)曲面“縫合”成一個(gè)整體，即重建的CAD模型。 在逆向工程應(yīng)用初期，由于沒(méi)有專用的逆向軟件，只能選擇一些正向的CAD系統(tǒng)來(lái)完成模型的重建；后來(lái)，為滿足復(fù)雜曲面重建的要求，一些軟件商在其傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)里集成了逆向造型模塊，如Pro/Scan-tools、Poin

18、t Cloudy等；而伴隨著逆向工程及其相關(guān)技術(shù)理論研究的深入進(jìn)行及其成果商業(yè)應(yīng)用的廣泛展開(kāi)，大量的商業(yè)化專用逆向工程CAD建模系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。當(dāng)前，市場(chǎng)上提供了逆向建模功能的系統(tǒng)達(dá)數(shù)十種之多，較具代表性的有EDS公司的Imageware Geomagic 公司的Geomagic Studio、Paraform公司的Paraform、PTC公司的ICEM Surf、DELCAM公司的CopyCAD軟件以及國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)的Re-Soft等。 1. 逆向工程CAD系統(tǒng)的分類 1）根據(jù)CAD系統(tǒng)提供方式分類 以測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)為研究對(duì)象的逆向工程技術(shù)，其逆向軟件的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第一階段是一些商品化

19、的CAD/CAM軟件集成進(jìn)專用的逆向模塊，典型的如PTC的Pro/Scan-tools模塊、CATIA的QSR/GSD/DSE/FS模塊及UG的Point cloudy功能等。隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，這些有限的功能模塊已不能滿足數(shù)據(jù)處理、造型等逆向技術(shù)的要求；第二階段是專用的逆向軟件開(kāi)發(fā)，目前面世的產(chǎn)品類型已達(dá)數(shù)十種之多，典型的如Imageware,Geomagic,Polyworks,CopyCAD,ICEMSurf和RE-Soft等。 2) 根據(jù)CAD系統(tǒng)建模特點(diǎn)與策略分類 根據(jù)CAD系統(tǒng)提供方式的分類多少顯得有些籠統(tǒng)，難以為逆向軟件的類型提供更為明確的指導(dǎo)，因?yàn)槟嫦駽AD建模通常都是曲面

20、模型的構(gòu)建，對(duì)CAD系統(tǒng)的曲面、曲面處理功能要求較高，其分類沒(méi)有這方面的信息。再者，各種專用逆向軟件建模的側(cè)重點(diǎn)不一樣，從而實(shí)現(xiàn)特征提取與處理的功能也有很大的不同，如Imageware主要功能齊全，具有多種多樣的曲線曲面創(chuàng)建和編輯方法，但是它對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)域分割主要還是通過(guò)建模人員依據(jù)其特征識(shí)別的經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)來(lái)完成，不能由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)；Geomagic區(qū)域分割自動(dòng)能力很強(qiáng)，并可以完全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)曲面的重建，但是創(chuàng)建特征線的方式又很單一，且重建的曲面片之間的連續(xù)程度不高。 依據(jù)逆向建模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)曲面重建的特點(diǎn)，可以將曲面重建的方式劃分為傳統(tǒng)曲面造型方式和快速曲面造型方式兩類。傳統(tǒng)曲面造型方式在實(shí)現(xiàn)模型重

21、建上通常有兩種方法。 （1） 曲線擬合法，該方法先將測(cè)量點(diǎn)擬合成曲線，再通過(guò)曲面造型的方式將曲線構(gòu)建成曲面（曲面片），最后對(duì)各曲面片直接添加過(guò)渡約束和拼接操作完成曲面模型的重建。 （2） 曲面片擬合法，該方法直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，生成曲面（曲面片），最后對(duì)曲面片進(jìn)行過(guò)渡、拼接和裁剪等曲面編輯操作，構(gòu)成曲面模型的重建。與傳統(tǒng)曲面造型方式相比，快速曲面造型方式通常是將點(diǎn)云模型進(jìn)行多邊形化，隨后通過(guò)多邊形模型進(jìn)行NURBS曲面擬合操作來(lái)實(shí)現(xiàn)曲面模型的重建。兩種方式實(shí)現(xiàn)曲面造型的基本作業(yè)流程如圖1.8所示。 數(shù)據(jù)收集 數(shù)據(jù)預(yù)處理 傳統(tǒng)曲面造型方式

22、 快速曲面造型方式 多邊形化處理 曲面片擬合 曲線擬合 基本造型處理 曲面片重建 曲面片擬合，并同時(shí)完成曲面模型重建 曲面模型重建 實(shí)體模型 下游應(yīng)用 圖1.8 實(shí)現(xiàn)曲面造型的基本作業(yè)流程 傳統(tǒng)曲面造型方式主要表現(xiàn)為由點(diǎn)一線一面的經(jīng)典逆向建模流程，它使用NURBS曲面直線由曲線或測(cè)量點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建曲面，其代表有Imageware，ICEM Surf和CopyCAD等。該方式下提供了兩種基本建模思路：一是由點(diǎn)直接到曲面的建模方法，這種方法是在對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)域分割后，直接應(yīng)用參數(shù)曲面片對(duì)各個(gè)特征點(diǎn)云進(jìn)行擬

23、合，以獲得響應(yīng)特征的曲面基元，進(jìn)而對(duì)各曲面基元進(jìn)行處理，獲得目標(biāo)重建曲面，如圖1.9（a）所示：二是由點(diǎn)到曲線再到曲面的建模方法，這種方法是在用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建的特征曲線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)曲面造型，而后通過(guò)響應(yīng)的處理以獲得目標(biāo)重建曲面的建模過(guò)程，如圖1.9（b）所示。 傳統(tǒng)曲面造型延續(xù)了傳統(tǒng)正向CAD曲面造型的方法，并在點(diǎn)云處理與特征區(qū)域分割、特征線的提取與擬合及特征曲面片的創(chuàng)建方面提供了功能多樣化的方法，配合建模人員的經(jīng) 驗(yàn)，容易實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的曲面重建，但是進(jìn)行曲面重建需要大量建模時(shí)間的投入和熟練建模人員的參與。并且，由于基于NURBS曲面建模技術(shù)在曲面模型幾何特征的識(shí)別、重建曲面的光順性和精確度

24、的平衡把握上，對(duì)建模人員的建模經(jīng)驗(yàn)提出了很高的要求。 圖1.9 傳統(tǒng)曲面造型方式建模 快速曲面造型方式是通過(guò)對(duì)點(diǎn)云的網(wǎng)格化處理，建立多面體化表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，其代表有Geomagic Studio 和Re-soft 等。一個(gè)完整的網(wǎng)格化處理過(guò)程通常包括以下步驟：首先，從點(diǎn)云中重建三角網(wǎng)格曲面，再對(duì)這個(gè)三角網(wǎng)格曲面分片，得到一系列有四條邊界的子網(wǎng)格曲面；然后，對(duì)這些子網(wǎng)格逐一參數(shù)化；最后，用NURBS曲面片擬合每一片子網(wǎng)格曲面，得到保持一定連續(xù)性的曲面樣條，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，可以用CAD軟件進(jìn)行后續(xù)處理，圖1.10中Geomagic的“

25、三階段法”便是快速曲面造型曲面重建的一個(gè)典型說(shuō)明。 圖1.10 快速曲面重建的“三階段法” 快速曲面造型方式的曲面重建方法簡(jiǎn)單、直觀、適用于快速計(jì)算和實(shí)時(shí)顯示的領(lǐng)域，順應(yīng)了當(dāng)前許多CAD造型系統(tǒng)和快速原型制造系統(tǒng)模型多邊形表示的需要，已成為目前應(yīng)用廣泛的一類方法。然而，該類方法同時(shí)也存在計(jì)算量大、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高，曲面對(duì)點(diǎn)云的快速適配需要使用高階NURBS曲面等不足，而且面片之間難以實(shí)現(xiàn)曲率連續(xù)，難以實(shí)現(xiàn)高級(jí)曲面的創(chuàng)建。 2.兩類逆向建模技術(shù)的比較 總得說(shuō)來(lái)，兩類曲面造型方式的差異主要表現(xiàn)在處理對(duì)象、重建對(duì)象及建模質(zhì)量等方面。 1）

26、處理對(duì)象的異同 在傳統(tǒng)曲面造型方式的逆向系統(tǒng)中，所處理的點(diǎn)云涵蓋了對(duì)從低密度、較差質(zhì)量（如Pro/Pcan-tools）的高質(zhì)量、密度適中（如ICEM Suif、CopyCAD等），再到高密度整個(gè)范圍。如Imageware便可以接受絕大部分的CMM、Lzser Scan、X-ray Scan 的資料，并且沒(méi)有點(diǎn)云密度和數(shù)據(jù)量大小的限制。只是在實(shí)際建模過(guò)程中，往往會(huì)先對(duì)密度較大的點(diǎn)云進(jìn)行采樣處理，以改善計(jì)算機(jī)內(nèi)存的使用。 而對(duì)于快速曲面造型方式，為了獲取較好的建模精度，往往要求用于曲面重建的點(diǎn)云具有一定的點(diǎn)云密度和比較好的點(diǎn)云質(zhì)量。如在Geomagic Studio 中，要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的

27、多邊形化模型的創(chuàng)建，必須保證處理點(diǎn)云具有足夠的密度和較好的質(zhì)量，否則無(wú)法創(chuàng)建多邊形模型或創(chuàng)建的多邊形模型出現(xiàn)過(guò)多、過(guò)大的破洞，嚴(yán)重影響后續(xù)構(gòu)建曲面的質(zhì)量。 2） 重建對(duì)象的異同 對(duì)于具有豐富特征模型的曲面重建（如工藝品、雕塑、人體設(shè)計(jì)等），使用傳統(tǒng)曲面造型的方法就顯得非常困難，而快速曲面造型的方法則能輕易勝任。此外，在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)相應(yīng)的手工雕刻模型進(jìn)行最初的快速建模時(shí)，快速曲面造型方式便是一種最佳的選擇。 而對(duì)于多由常規(guī)曲面構(gòu)成的典型機(jī)械產(chǎn)品，或如汽車車體和內(nèi)飾件造型等這些往往對(duì)曲面造型的質(zhì)量要求很高的場(chǎng)合，目前采用的主要還是傳統(tǒng)曲面造型方

28、式的逆向系統(tǒng)。 3） 建模質(zhì)量的比較 逆向建模的質(zhì)量表現(xiàn)在曲面的光順性和曲面重建的精度兩個(gè)方面。 從曲面的光順性角度看，目前，盡管在一些領(lǐng)域快速曲面造型取得了令人滿意的成果，但曲面重建中各曲面片之間往往只能實(shí)現(xiàn)G1聯(lián)系，難以實(shí)現(xiàn)G2連續(xù)，從而無(wú)法構(gòu)建高品質(zhì)的曲面，這也限制了在產(chǎn)品制造商的應(yīng)用。相比而言，傳統(tǒng)曲面造型方式提供了結(jié)合視覺(jué)與數(shù)學(xué)的檢測(cè)工具和高效率的連續(xù)性管理工具，能及時(shí)且同步地對(duì)構(gòu)建的曲線、曲面進(jìn)行檢測(cè)，提供即時(shí)的分析結(jié)果，從而容易實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的曲面構(gòu)建。 在精度方面，兩種方法均可獲得較高精度的重建結(jié)果，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，快速曲面造型遵循相對(duì)固定的操作步驟，而傳統(tǒng)曲面造型

29、方式則更依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。 3.逆向工程的CAD建模系統(tǒng)分類 通過(guò)綜合分析當(dāng)前典型商業(yè)逆向CAD建模系統(tǒng)（軟件/模塊）建模特點(diǎn)和策略，我們將其按照傳統(tǒng)曲面造型方式與快速曲面造型方式進(jìn)一步分類，其結(jié)果如表1.2所示。 表1.2 逆向工程CAD系統(tǒng)的分類 軟件 （模塊）類型 軟件 （模塊）名 逆向曲面重建建模方式 特點(diǎn) 傳統(tǒng)曲面 造型方式 快速曲面 造型方式 專用逆向軟件 Imageware 逆向流程遵循由點(diǎn)-線-面曲面創(chuàng)建模式，并具有由點(diǎn)云直接擬合曲面的功能。曲線、曲面創(chuàng)建和編輯方法多樣，輔以即時(shí)的品質(zhì)評(píng)價(jià)工具，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量曲面創(chuàng)建 Ge

30、omagic 遵循點(diǎn)-多邊形-曲面三個(gè)階段作業(yè)流程，可以輕易地從點(diǎn)云創(chuàng)建出完美的多邊形模型和樣條四邊形網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，建模效率高。新增的Fsshion模塊可以通過(guò)定義曲面特征類型來(lái)捕獲物理原型設(shè)計(jì)意圖，并擬合成準(zhǔn)CAD曲面 CopyCAD 遵循由點(diǎn)云三角形化構(gòu)造線--特征線網(wǎng)格構(gòu)造 曲面的逆向流程，整個(gè)進(jìn)程基本上是交互式完成的，具有一定的快速式曲面造型的特點(diǎn) Rapidform 遵循由點(diǎn)云--多邊形化模型--曲線網(wǎng)格--NURBS曲面的逆向流程，提供了自動(dòng)和手動(dòng)兩種曲面構(gòu)建的方式和類似正向CAD平臺(tái)的曲面建模工具，允許從3D掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)

31、建解析曲面 ICEM Surf 逆向作業(yè)流程為點(diǎn)云--測(cè)量線--曲面片，支持按鍵式和互動(dòng)式兩種準(zhǔn)自動(dòng)化的曲面重建方法?；贐EZIER和NURBS兩種數(shù)學(xué)方法，可以在兩種曲面/曲面之間靈活地相互轉(zhuǎn)換，A級(jí)曲面造型的效率較高，可以快速、動(dòng)態(tài)地修改和重用曲面上的特征 Polyworks 遵循的逆向工作流程：點(diǎn)云獲取和處理--創(chuàng)建多邊形化模型--構(gòu)造特征曲線--創(chuàng)建曲線網(wǎng)格--用BEZIER和NURBS曲面擬合曲面片--添加曲面片連續(xù)性約束--生成曲面模型，軟件具有自動(dòng)檢測(cè)邊界、自動(dòng)縫合等快速建模功能 RE-Soft 遵循特征造型的理念，提供了基于截面特征曲線兩種

32、建模策略，在實(shí)際應(yīng)用上，兩種策略相互約束和滲透。也提供了有點(diǎn)云--三角剖分模型--Bezier曲面擬合的自動(dòng)化曲面重建方法 軟件 （模塊）類型 軟件 （模塊）名 逆向曲面重建建模方式 特點(diǎn) 傳統(tǒng)曲面 造型方式 快速曲面 造型方式 提供逆向模塊的正向CAD/CAE/CAM軟件 DES＆QSR＆GSD＆FS 在CATIA建模系統(tǒng)中，四個(gè)模塊均可用于逆向工程建模，曲面模型的生成符合一般產(chǎn)品建模的基本要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和檢測(cè)流程遵循逆向工程建模的一般流程，即掃描點(diǎn)云--特征線--曲面，具有較為豐富全面的曲面建模功能 Pro/ Scan-tools 是集成與P

33、ro/E軟件中的專用于逆向建模的工具模塊，具有基于曲線（型曲線）和基于曲面（常規(guī)的Pro/E曲面和型曲面）兩種方式獨(dú)立或者結(jié)合的曲面重建方式，可以根據(jù)掃描數(shù)據(jù)建立光滑曲面 Pointcloud 該模型是集成在UG軟件中的用于逆向工程建模的工具模塊，其逆向造型遵循：點(diǎn)--線--面一般原則，對(duì)具有單值特征的曲面直接擬合成曲面，與專業(yè)的逆向工程軟件相比，其功能較為有限 說(shuō)明：1. 表示項(xiàng)目被選中； 表示項(xiàng)目未被選中。 2.DSE:Digitized Shape Editor（數(shù)字編輯器）；QSR:Quick Shape Reconstruction（快速造型重建）；GSD

34、:Generative Shape Design（生成造型設(shè)計(jì)）；FS：Freesyle（自由造型設(shè)計(jì)） 目前，雖然商用的逆向工程軟件類型很多，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，專門的逆向工程設(shè)計(jì)軟件還存在較大的局限性，例如，Imageware軟件在讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)工程速度較快，能較容易地進(jìn)行海量點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理，但進(jìn)行面擬合時(shí)，Imageware所提供的工具及面的質(zhì)量卻不如其他CAD軟件（如Pro/E、UE等）。但使用Pro/E、UE等軟件讀取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)是，卻存在由于數(shù)據(jù)龐大而造成系統(tǒng)運(yùn)行速度太慢等問(wèn)題。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，逆向工程軟件集中表現(xiàn)為智能化低；點(diǎn)云數(shù)據(jù)的出來(lái)方面功能弱；建模過(guò)程主要依靠人工

35、干預(yù)，設(shè)計(jì)精度不夠高；集成化程度低等問(wèn)題。 在具體工程設(shè)計(jì)中，一般采用幾何軟件配套使用、取長(zhǎng)補(bǔ)短的方式。因此，在實(shí)際建模過(guò)程中，建模人員往往采用“正向+逆向”的建模模式，也稱為混合建模，即在正向CAD軟件的基礎(chǔ)上，配備專用的逆向造型軟件（如Imageware、Geomagic等）。在逆向軟件中先構(gòu)建出模型的特征線，再將這些線導(dǎo)入到正向CAD系統(tǒng)中，由正向CAD系統(tǒng)來(lái)完成曲面重建。 1.4 逆向工程技術(shù)的發(fā)展 目前，逆向工程在數(shù)據(jù)處理、曲面處理、曲面擬合、規(guī)則特征識(shí)別、專用商業(yè)軟件和三維掃描儀的開(kāi)發(fā)等方面已取得了非常顯著的進(jìn)步，但在實(shí)際應(yīng)用中，缺乏明確的建模指導(dǎo)方針，整個(gè)過(guò)程仍需大量

36、的人工交互，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動(dòng)重建曲面的光順性難以保證，對(duì)建模人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)技能依賴較重。而且目前的逆向工程CAD建模軟件大多仍以構(gòu)造滿足一定精度和光順性要求的CAD模型為最終目標(biāo)，沒(méi)有考慮在產(chǎn)品創(chuàng)新需求，因此逆向工程技術(shù)仍然是目前CAD/CAM領(lǐng)域一個(gè)非?；钴S的研究方向。 逆向工程CAD建模的研究經(jīng)歷了以幾何形狀重構(gòu)為目的逆向工程CAD建模，基于特征的逆向工程CAD建模和支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的逆向工程CAD建模三個(gè)階段。以現(xiàn)有產(chǎn)品為原型，還原產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖，注重重建模型的再設(shè)計(jì)能力已成為當(dāng)前逆向工程CAD建模研究的重點(diǎn)。 1） 以幾何形狀重構(gòu)為目的的CAD建模 在目

37、前的一些比較實(shí)用的以幾何形狀重建為目的的逆向工程CAD建模軟件中，仍以構(gòu)造滿足一定精度和光順性要求，與相鄰曲面光滑拼接的曲面CAD模型為最終目標(biāo)。 以幾何形狀重構(gòu)為目的的逆向工程CAD建模方法對(duì)于恢復(fù)幾何原形是有效的，但建模過(guò)程復(fù)雜，建模效率低，交互操作多，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確建模。而且缺乏對(duì)特征的識(shí)別，丟失了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的特征信息，與產(chǎn)品的造型規(guī)律不相符合，無(wú)法表達(dá)產(chǎn)品的原始設(shè)計(jì)意圖。因此，在這種建模方法和模型初始表示對(duì)于表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖和創(chuàng)新設(shè)計(jì)是不適宜的。 2） 基于特征的CAD建模 基于特征的逆向工程CAD建模是將正向設(shè)計(jì)中的特征技術(shù)引入逆向工程形成的一種CAD建模思路，通過(guò)抽取

38、蘊(yùn)含在測(cè)量數(shù)據(jù)中的特征信息，重建基于特征表達(dá)的參數(shù)化CAD模型，表達(dá)原始設(shè)計(jì)意圖。該方法具有的優(yōu)勢(shì)如下： （1）表達(dá)了原始設(shè)計(jì)信息，可以重建更為精確的CAD模型，提高CAD模型重建的效率； （2）特征包含了高層次的表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖的工程信息，通過(guò)對(duì)特征參數(shù)的是修改和優(yōu)化，可以得到不同參數(shù)的系列化新產(chǎn)品CAD模型，從而加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度。 基于特征的模型重建研究主要集中在特征識(shí)別，包括邊界線和曲面特征，研究對(duì)象主要是規(guī)則特征。但在CAD模型重建方面，都存在著這樣一個(gè)缺陷，即將模型重建分割為孤立的曲面片造型，忽略了產(chǎn)品模型的整體屬性。 3） 支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的CAD建模 從應(yīng)用

39、領(lǐng)域來(lái)看，逆向工程的應(yīng)用可分為兩個(gè)目標(biāo)：原始復(fù)制和設(shè)計(jì)創(chuàng)新。對(duì)于復(fù)雜曲面外形產(chǎn)品的逆向工程CAD建模而言，其主要目的不是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品外形進(jìn)行簡(jiǎn)單復(fù)制，而是要建立產(chǎn)品CAD的模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。具備進(jìn)一步創(chuàng)新功能的逆向工程包含了三維重構(gòu)與基于原型的再設(shè)計(jì)，真正體現(xiàn)了現(xiàn)代逆向工程的核心與實(shí)質(zhì)。 要進(jìn)行基于原型或重建CAD模型的再設(shè)計(jì)，逆向工程CAD建模應(yīng)滿足以下要求： （1） 滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求，反映產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)意圖。 （2） 模型可方便地進(jìn)行修改 逆向工程作為吸收和消化現(xiàn)有技術(shù)的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，其意義不僅僅是仿制，應(yīng)該從原型復(fù)制走向再設(shè)計(jì)。以現(xiàn)有產(chǎn)品為原型，對(duì)逆向工程所建立的CA

40、D模型進(jìn)行改進(jìn)得到新的產(chǎn)品模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。CAD模型是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，還原實(shí)物樣件的設(shè)計(jì)意圖，注重重建模型的再設(shè)計(jì)能力是目前逆向工程CAD建模研究的重點(diǎn)。三維重建只是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)，再設(shè)計(jì)的思想應(yīng)始終貫穿于逆向工程的整個(gè)過(guò)程，，講逆向工程的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，集成CAD/CAE/CAM/CAPP/CAT/RP等先進(jìn)技術(shù)，使之成為相互影響和制約的有機(jī)整體，并形成以逆向工程技術(shù)為中心的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)體系。 理解設(shè)計(jì)意圖、識(shí)別造型規(guī)律是逆向工程CAD建模的精髓，支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)是逆向工程的靈魂。但從目前的發(fā)展水平來(lái)看，現(xiàn)有的技術(shù)還遠(yuǎn)不能支持這種高層次的逆向工程需求。目前，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云

41、生成曲面模型，在模型分割與特征識(shí)別方面是公認(rèn)的薄弱環(huán)節(jié)，并且缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段。在這種情況下，從數(shù)字化測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云的區(qū)域分割及特征識(shí)別入手，理解原有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，建立便于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的CAD模型，就顯得十分迫切。 另外，在人員方面，逆向工程技術(shù)的應(yīng)用仍是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，各個(gè)過(guò)程都需要有專業(yè)人才，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，特別是對(duì)三維模型重建人員有更高的要求，除需了解產(chǎn)品特點(diǎn)、制造方法和熟練使用CAD軟件，逆向造型軟件外，另一方面應(yīng)熟悉上游的測(cè)量設(shè)備，甚至必須參與測(cè)量過(guò)程，以了解數(shù)據(jù)特點(diǎn)，還應(yīng)了解下游的制造過(guò)程，包括制造設(shè)備和制造方法等。 在目前工作的基礎(chǔ)上，逆向工程技術(shù)尚有諸多問(wèn)題需要進(jìn)

42、一步探討和研究，主要包括以下幾個(gè)方面： （1） 發(fā)展面向工程應(yīng)用的專用測(cè)量系統(tǒng)，使之能高速、高精度地實(shí)現(xiàn)實(shí)物數(shù)字化，并能根據(jù)樣件幾何形狀和后續(xù)應(yīng)用選擇測(cè)量方式及路徑，能進(jìn)行路徑規(guī)劃和自動(dòng)測(cè)量。 （2） 以數(shù)據(jù)點(diǎn)云隱含的特征和約束等幾何信息的自動(dòng)識(shí)別和推理為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)一步研究復(fù)雜曲面離散數(shù)據(jù)點(diǎn)云的幾何理解，建立基于特征的逆向建模的指導(dǎo)性圖解，減少逆向工程CAD建模中的交互操作，降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 （3） 針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域（如汽車設(shè)計(jì)、人體建模等），制定基于模板匹配或定制的自動(dòng)化逆向建模策略，對(duì)其中的自由形狀特征建立參數(shù)化表達(dá)形式，實(shí)現(xiàn)真正的基于參數(shù)匹配的特征重構(gòu)。 （4） 發(fā)展基于集成的逆向工程技術(shù)，包括測(cè)量技術(shù)、基于特征和集成的模型重建技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造術(shù)等。 （5） 將參數(shù)化技術(shù)引入逆向工程中，建立參數(shù)化的逆向工程模型，以方便模型的優(yōu)化與修改。同時(shí)與主流商業(yè)CAD/CAM軟件無(wú)縫集成，充分發(fā)揮后者強(qiáng)大的功能。 （6） 研究基于特征分割和約束驅(qū)動(dòng)的精確變形技術(shù)，提高逆向工程重建CAD模型的改型設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。 28 / 28下載文檔可編輯