（仪器科学与技术专业论文）基于ict图像的快速反求工程研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 在当前激烈的市场竞争的形势下，产品快速开发的技术和手段成了企业的核 心竞争力。反求工程是现代先进伟4 造技术的重要组成内容之一，是实现产品快速 设计、快速原型制造和敏捷制造的重要手段。因此，本文基于工业c t 图像展开了 反求工程的研究。重点论述了由工业c t 断层图像实现快速原型制造的方法。 工件的工业c t 断层图像，经处理后，输出断层轮廓数据，然后采用商用c a d 反求软件实现三维重构生成c a d 模型，进而生成s t l 模型再输入快速原形设备进 行快速原型制造是现阶段可行的工艺路线。 二值化图像分割的关键之处就在于如何确定阈值，本文在论述了常用的几种 阈值确定方法的原理和使用范围基础上，提出了改进方法，可以对工业c t 断层 图像进行较理想的二值化分割。采用8 邻域轮廓提取算法可以方便地提取到二值 化分割后的图像断层轮廓。本文指出，应该在跟踪完一条轮廓线后，再将它及其 紧邻的黑点设为白点，这样就保证了轮廓线的顺利地跟踪到图像中的所有轮廓， 且轮廓完整，没有断线情况。 根据本课题的需要，用v i s u a lc + + 开发了一个反求软件包，在数据输出时， 可以实现自动默认图像文件的路径及名称作为输出文件的保存路径及名称，也可 以修改输出文件的保存路径及名称；输出的z 坐标已实现了利用图像名称序列和 断层扫描层问距的信息自动获取；同时，利用扫描像素宽度、层间距信息，在进 行坐标标定时，单位可自动转换成衄，这使三维重建出的实体模型与反求工件可 以做到等比例 本课题来源于重庆市科技攻关计划项目“复杂工件封闭内腔和外形的无损测 量及快速原形研究”，目前，已按质完成了阶段性任务。项目中的各项关键技术及 工艺具有自主知识产权。 关键诃：反求工程，工业c t ，二值化分割，三维重建 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i nt h ec o n d i t i o no f t h ec u r r e n t l yr u t h l e s a l yc o m p e t i t i v em a r k e t , t h et e e i m o l o g ym a d m , c a s u r 鹤o fr a p i d p r o d u c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tb e c o m e e n t e r p r i s e s c o l e c o m p e t i t i v ep o w e r r e ( r e v e r s ec n g i n e e r i n g ) b e c o m e so n eo ft h ei m p o r t a n te o m p r i s 以l c o n t e n t sf o rc o n t e m p o r a r ya d v a t a e c dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , i ti st h ei m p o r t a n t m e a s l j f o rr a p i dr , r o d u e td e s i g n , r p m ( r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r e ) a n da m ( a g i l i t y m a n u f a c t u r e ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h er e s e a r c hf o rr p mb a s e d i c t ( n c i u s t r i s a c o m p u t e dt o m o g r a p h i e ) i m a g e so f t h ep a r tw i t hc o m p l i c a t e di n t e r i o ra n de x t e r i o rs h a p e i ss t u d i e d t h ea p p r o a c hf r o mi c t i m a g e st or p m i sp r e s e n t e d a tt h ep r e s e n ts t a g e , t h ef e a s i b l ep r o c e s sr o u t ei s ：s t a r tw i t hp a r ti c ts l i c e si m a g e s , d a t ao u t p u tf o ra l i e e sc o n t o u r sa f t e rd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g , t h e nt oc r e a t ec a d3 d m o d e la n dt oc r e a t es t lm o d e lf l m l l e rt h r o u g hc u r r e n t l yc o m m e r c i a lc a dr e v e 雠 s o f t w a r e , a n di n p u ts t l m o d e li n t or p mm a c h i n et op r o d u c ep r o t o t y p ef o rt h er ep a z t t h ec 姒f o ri m a g eb i n a r i z a t i o ni st od e f i n et h r e s h o l dv a l v e t w oi m p r o v e d i m a g e b i n a r yp r o c e s s i n gm e t h o d s 撒g i v e nb 嬲e do nt h es t u d yo nt h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o n s c o p e so fs e v e r a li r a d i t i o n a lm e t h o d s , t h e yc a nr e a l i z et h eb i n a r i z a t i o no fi c ti m a g e b e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s t h e8 - n e i g h b o u rp o i n ta r i t h m e t i ci sas i m p l ea n d e f f e c t i v em e t h o dt oe x t r a c tt h ec o n t o u r si ns l i c ei m a g e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o r p o i n t so u tt h a ti to u g h tt oe l i m i n a t et h ep o i n t so ft h et r a c e dc o n t o u ra n di t sa d j a , n t p o i n t sa n 盯c o m p l e t i n gac o n t o u ri r a e i n gi no r d e rt ot r a c ea l lt h ec o l l t o l l r si ns l i c ei m a g e s m o o t h l y ： a 砖v 戤a a g i n e e r i n gs o t t w a r ei sc k v e l o p e c ti nv i s u a lc 抖f o rt h en e e do ft h i s r e s e a r c hr , r o j e e td u r i n gd a t ao u t l m t , t h ed i r e c t o r ya n dn 锄co ft h ei l n l i g ef i l ei s d e f a u l t e da st h es a v i n gd i r e c t o r ya n dn 彻l a eo ft h eo u t p u tf i l e , o fa m 撇，t h es a v i n g d i r e c t o r ya n dn a m ec mb ea l t e r e d zv a l v eo f t h eo u - t l m tc o o r d i n a t ed a t a nb ea c q u i r e d a u t o m a t i c a l l yf r o mt h ei n f o l , l f l 删o no fi m a g ef i l en a m e ：掘l dt h ed i s t a n c eb 咖e 饥e v e r y t w os l i c e sd u r i n gi c ts e a t m i n g i nt h em e a n t i m e , t h eo u t p u tc o o r d i n a t ev a l v ec 雏b e t r a n s f e r r e dt om ma u t o m a t i c a l l yf r o mt h ei n f o r m a t i o no fp i x e lw i d t ha n dt h ed i s t a n c e b e t w e e ne v e r yt w os l i c e sd u r i n gi c ts c a n n i n g , t l l c r c f o r e , t h el a t t e rc r e a t e dc a d3 d m o d e l 锄b et l a es 锄es i z ea st h er es a m p l ep a r t t h i sr e s e a r c hp r o j e c ti sf r o mas c i e n c ea n dt e e l m o l o g yt , l a ni t e mo fc h o n g q i n g n a m e d t h en o n - d e s l n l e t i v em e a s u r e m e n tm a dr p mr e s e a r e l tf b rt h ep a r tw i t l a 重庆大学硕士学位论文英文摘要 c o m p l i c a t e d i n t e r i o ra n de x t e r i o rs h a p e , d ht on o w , t h ec u r r e n tp h a s et a s ki sc o m p l e t e d 谢l hd e f i n e dm i s s i o na n di nd n 蛾a l lt h ek e yt e c h n i q u e sa n dp r o c e s s e sh a v er e v e r e d i n t e l l i g e n tp r o p e r t yr i g h l k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g , i c t , b i n a r y , 3 dr e c o n s t r u c t i o n 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，也不包含为获得重废盔堂 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谓 意。 学位论文作者签名：苏：可辛 签字日期：知刁年二月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、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。本人授权重麽太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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 签字日期：们年 丁月 再 6 包 年 梦 1 1 1 沪 孙 期 签 咽 蜊 导 融 签d 1 1 日 吖 垆 私阳 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 课题背景与意义 随着现代物质文明的高度发展，人们的消费也日趋个性化。市场需求也由卖 方市场转化为买方市场并日趋多元化。空前激烈的市场竞争迫使制造业必须以更 快的速度设计、制造出性能价格比高并满足人们需求的产品。因此，导致了制造 业一场深刻的变革。产品快速开发的技术和手段成了企业的核心竞争力。在这样 的形势下，传统的大批量、刚性的生产方式及其制造技术已不能适应要求【。为了 缩短产品开发生产周期，提高产品质量，一种新型的面向快速原型的反求工程技 术以其独特的优势在产品开发中发挥着越来越大的作用【2 l 。 反求工程属逆向思维体系，它以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、 技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创造性思维，对已有的 产品进行剖析、深化和再创造，是针对已有设计的再设计，它集光学、电子、自 动控制、机械、计算机视觉和数字图像处理等高新技术为一体。经产品的实物、 软件( 图纸、程序、技术文件和工艺流程等) 、影像( 图片、照片) 作为研究对象， 应用现代设计理论、生产工程学、材料科学和相关专业知识进行深入系统地分析 和研究，进而广义的产品反求工程包括形状( 几何) 反求、工艺反求和材料反求 等诸多方面，是一个复杂的系统工程。 反求工程技术可以极大地缩短产品开发周期，更重要的是可以快速赶上或超 过世界先进生产技术水平，有效地占领市场。通过反求工程技术，不仅可以更好 地消化国外先进技术，也可以解开国外先进产品和设备的技术秘密，可以找到原 型产品的缺点，加以改进，设计出更好的产品，实现青出于蓝而胜于蓝的目标。 目前，反求工程技术己成为世界各国消化、吸收国外先进技术和对现有产品进行 改进的一个重要渠道肛4 1 。反求工程作为一种掌握新技术的手段，可以使产品研 制周期缩短4 0 以上 我国在设计制造方面距发达国家还有一定的差距，缩短差距提高我国产品的 竞争能力，就必须尽快并广泛地采用先进的开发手段。把基于工业c t 的反求工程 这一新技术用于新产品开发和制造，工程技术人员可根据产品功能或在原有样本 的基础上对反求结果进行修改，通过集成快速成型制造系统制造出产品样本，从 而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周 期，产品的开发成本也大大降低。所以，反求工程技术在产品设计和制造中具有 无与伦比的优势。由此可见，面向有封闭内腔和外形的复杂工件快速原型制造的 工业c t 反求工程研究与开发对促进产品设计与制造技术的进步具有重要意义。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 反求工程的基本概念及其应用 “反求工程 ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 是指从实物样件获取产品数学模型相关数 据的技术，己发展为c a d c a m 中一个相对独立的范畴。严格的定义为“针对消化 吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的结合。它是以先进产品设备的实物、 软件( 包括图纸、程序、技术文件等) 或影像( 图像、照片等) 作为研究对象，应用现 代设计方法学原理、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入地分析研 究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品” 5 1 。目前，大多数 有关反求工程的问题都集中在几何形状、即重建产品实物的c a d 模型方面嘲。在 这一意义下“反求工程”可定义为反求工程”是与将实物转变为c a d 模型相关的数 字化技术和几何模型重建技术的总称【7 ，8 l 。通过“反求工程”可构造实物的c a d 模 型，使得那些以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造过程中充分； ! 用 c a d c a m ，r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r e ) ，c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e m a n u f a c t u r es y s t e m ) ，等先进制造及管理技术。同时，“反求工程”的研究也可为快 速产品设计、快速原型制造等提供关键技术支持1 9 】。 快速原形i l o ( r a p i dp r o t o t y p i n g , r p ) 制造技术是一种借助计算机辅助设计或 用实体反求方法采集得到有关原型或零部件的几何形状，从而获得目标原型的概 念并以此建立数字化的描述模型，然后将这些信息输出到计算机控制的机电集成 系统，通过逐点、逐面进行材料的三维堆砌俄型，再经过必要的处理，使其在外 观、强度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零部件 的现代化方法。可以对产品设计进行快速评价、修改，以喻应市场需求，提高企 业竞争能力。 快速成形技术同反求工程相结剖1 1 】，为反求工程注入了新的动力。它能够根 据物体反求测量所得c a d 模型或相关数据直接生成物体的树脂或金属原型，而不 需要任何复杂的加工系统和专门的工装模具，大大缩短了产品设计与锅造周期， 从而形成了快速设计与制造的生产系统，我们把面向快速原形制造技术的反求工 程简称为快速反求工程v 2 , 1 3 】技术。快速反求工程技术形成了一个包括设计、制造、 检测的快速设计制造反馈系统，从而提高快速原形制造的应用水平。快速反求反 馈制造系统框图如下： 匿t 1 快速反求反馈制造系统框图 f i g 1 1f e e d b a c ks y s t e mo f r y m 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 反求工程的目标绝不仅限于仿制，因仿制是最原始、低级的模仿，其质量和 生命周期不会有竞争力，更严重的是侵权行为，要受产权保护制裁。反求是先被 动后主动的创造。在吃透别人的技术的基础上进行创造。 在制造领域内反求工程有广泛的应用前景。反求工程技术大致可以应用于以 下几个方面： 在缺少图纸及没有c a d 实体模型的情况下，通过对零件原形的测绘，形 成图纸或模型，并由此形成数控加工的n c 代码或生成可以驱动快速原形设备的 s t l 模型，加工复制出与其相同的零件【9 1 。 当设计需要实验测试才能定型的零部件时，如在航空航天领域，为满足产 品对空气动力学的要求( 这类产品通常具有复杂的自由曲面外型) ，首先要在初始模 型的基础上，经过多种性能测试如风洞实验等，构建符合要求的模型，这种模型 将成为反求其模具的依据。 在美学设计特别重要的领域，广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估 设计的美学效果，而不采用在电脑上缩小比例的物体透视图的方法。在这种情况 下，最终需要运用反求工程将这些实物模型转换为c a d 模型。 应用于修复破损的艺术品或缺乏供应的被损零件，如修复破损的塑像、雕 刻及艺术造型等。此时并不需要对整个零件原型进行复制，而是借助反求工程技 术抽取零件原形的设计思想以指导新的设计。这是由实物反求推理出设计思想的 一种渐进过程【_ 玎。 人体中的骨头，关节等的复制、假肢制造。 在r p m 的应用中，反求工程的最主要的作用表现为：通过反求工程，可 以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速准确的测量，找出产品设计的不足， 进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善。 目前，在国内，由于a 吣c a m 技术应用发展的不平衡，普遍存在这样的 情况，在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时，为了能利用 c a d c a m 技术来加工模具，必须首先将实物零件转换为c a d 模型。继而在c a d 模型基础上设计模具。 1 3 反求工程中常用的测量技术 在当今反求工程技术的研究中，实体的测量是极为关键的一步。测量方法 的选取、测量精度，直接影响反求工程技术的方法选择和实体c a d 模型的重 构精度。在反求工程中测量技术有很多，从测量的手段可分为接触式和非接触 式两大类，从对被测量零件的影响可以分为破坏和非破坏式两大类。如下图1 2 所示。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 国1 2 反求测量技术 f i g 1 2t h ew a y 5o f i n c a s i n gt e c h n o l o g yf o rr e v e r c i a g i n 啦 这些测量方法的特点如下： 坐标测量仪( c c l o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e , c m m ) 可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量。通过控制测头在被测零件 表面接触扫描，可获取零件表面的点云数据。测量精度高，但对使用环境要求高， 测量速度慢，人工干涉程度大，测量数据点少。只能对工件开敞音b 位及外表面进 行测量，对探头不能触及的区域显得无能为力，存在测量死角，不能实现自动测 量。不适用于有空腔等内部结构的工件和产品的测量以及存在不可拆的装配部件 的内部解密，且不适用于测量软质材料实体。这些不足限制了它在反求技术中的 应甩范围。 层切法( c g i ) 这是近年来发展的一种逆向工程技术，将研究的零件原形填充后，采用逐层 铣削和逐层扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓，并将其组 合起来获得零件的三维数据。这种技术测量精度较高，可实现自动测量。是一种 比较理想的测量工件内外腔尺寸的方法。不过设备比较昂贵，成本较高，且必须 破坏样品，在填充、切肖过程中可能会引起变形从而影响测量精度。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 三角激光扫描法 这种测量方法根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，将其投射到被测 物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光 条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系计算物 体的光度信息。这种技术测量精度较高，可实现自动测量，其缺点是对封闭内腔 的测量受到限制。 核磁共振测量法( m i u ) 这种技术的理论基础是核物理学的磁共振理论，其基本原理是用磁场来标定 人体某层面的空间位置，具有深入物质内部且不破坏样品的优点，对生物体没有 损害，在医疗领域有广泛应用。但设备造价高，且对金属材料不适用。 立体视觉测量 该方法可以对处于两个( 多个) 摄像机共同视野内的目标特征点进行测量， 而无须伺服机构等扫描装置。它面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图像中 提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了以将具有空间编码特征的结构光 投射到被测物体表面制造测量特征的方法，有效解决了测量特征提取和匹配的问 题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。 超声波测量法 这种方法采用超声波的数字化方法，其原理是当超声波脉冲到达被测物体时， 在被测物体的两种介质交界表面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时 间间隔，可计算出各面到零点的距离。相对于i c t 或m r i 而言其设备简单，成本 较低，但测量速度较慢，且测量精度主要受探头的聚焦特性所决定。如果物体中 有缺陷，受物体材料及表面特性的影响，则测量出的数据可靠性较低。该法主要 用于无损探伤及厚度检测。 工业计算机断层扫描法( i c t ) 这种测量方法对被测物体进行断层扫描。对一个物体可测得位于不同层上的 一系列断层图像切片，这些二维的凰像切片是分析物体的内部结构以及恢复其三 维原貌的原始数据。与常规的检测方法相比，i c t 具有许多特点和优越之处，如具 有对内部结构的透视能力，能非接触、不停地实现物体内部结构和形状测量分析， 检测速度快。目前，工业c t 技术主要应用于无损检测与探伤，利用工业c t 设备 可检查工件内部的缺陷和裂纹、测量工件内部结构尺寸、分析产品结构组织和材 料密度，而这些都是在不破坏工件、不拆卸产品部件的情况下进行的。 不同的测量方法分别适用于不同结构的物体，下表给出了几种典型测量方法 的特性对比【1 4 1 。 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 表1 1 测量方法特性比较 t a b l e1 1c o n 聊m go f m e a 霸l r et e c h n i q u e s 鏊 ” “，澍璧方法特馁就较 ” 缀 麓! 苎i ! i t 。氛氅篓堡。篓篓璧甄毫憝塑翌! ! ! 毫。差翼爱釜篓慧。翌兰撬。一一溢 甏 。 凌 罄k m 。一。女。氛。# 溺，一韶耐批，。= ，+ ：抵撬t ，一，蕊 一m f # 。一* 墙；k 。；氇 m a n u a l无是 结构允许时可域有 + o 1 m m m m c无是不霹瑷有 0 5 h m ； 妇s c 粼茏雾不可瑷有 o 5 z m “ 嚣，j c g l 。有嚣霉以无 o 0 2 m m i ；： “ k 垮毫。盛，。嚣。一羲。零坠一一；赫。；。嚣。一垒g 乏巴，。0 近年来随着工业c t 技术的飞速发展，新一代的工业c t 扫描器件能够获得材 质( 如铸铁、复合材料、陶瓷、合金、地质等) 的工业o r 采样品。扫描方式也从二 维断层扫描发展到三维立体扫描( v o l u m ec t ) ，能同时扫描数百个断层并达到微米 级均匀空间分辨率( 层间距) 。当今工业c t 硬件技术的发展也使基于工业c t 图像 的微机械产品结构、零件的形状测量、材料属性的测量和反求建模等曾一度被搁 置的问题又重新得到工业o r 应用研究者的关注。 综上所述，工业o r 不仅能满足反求工程的精度要求，而且能在不破坏样件 结构的基础上获取复杂样件外部及内部的特性数据。它对不论是平面定位和尺寸 钡8 量还是猎取三维几何信息都提供了一种理想的检测技术。工业o r 应用于金属和 非金属，实体和纤维材料，光滑和不规则表面的零件都是一样的。它把被测断层 孤立出来成像，避免了其余部分的干扰和影响，图像质量高，能清晰、准确展示 出样件内部的结构关系、物质组成等状况。它是测量没有备件和复制品的复杂形 状实物的唯一方法。 因此，本课题选用工业c t 断层扫描法作为反求测量手段。 1 4 国内外现状综述 近几年在国内外对基于工业c t 技术的反求工程，开展了大量的研究，使其 得到了迅速的发展【”l 。 国际概况 就工业c t 产品而言，从上世纪7 0 年代末到8 0 年代中期，美国s m s 公司和i d m 公司率先推出t c i t a 2 0 0 和i r i s t m 系列产品后，工业c t 技术迅速发展并推动了 其产品不断推陈出新，也促使了反求工程的发展。如美国a r a c o r 公司不但应 用自己研制的工业c 1 检测仪用于无损检测，而且也应用于反求工程。在9 0 年代 6 重庆大学硕士学位论文l 绪论 中期，它就能通过工业c t 获取的数据，进行图像处理与尺寸测量，转换格式等 进行反求设计，使最终结果能被快速原型或数控生产。预示了基于i c t 的反求工 程的广阔前景【m 。 较早的反求软件是一些商品化的c a d c a m 软件集成专用的反求模块，如 p r o e n g i n e e r 的s c a nt o o l s 模块，u g i i 的点云处理、曲线及曲面拟合， c i m a t r o n 9 0 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块和s t r i m l 0 0 的点处理加工、自动生 成曲面和简单的边界识别等功能。在此基础上，发展形成了专用的反求软件。 目前面市的产品类型己达数十种之多，较具代表性的有i m a g e w a r e 公司的 s u r f a c e r ，r a i n d r o pg e o m a g i c 公司的g e o m a g i c ，p a r a f o 戚公司的p a r a f o r m ，u g s 公司的q u i c ks h a p e ，p t c 公司的i c e ms u r f , d e l c a m 公司的c o p yc a d 软件， m d t v 公司的s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，以及a l i a sw a v e f r o n e 公司的s u r f a c e s t u d i o ， m a t hw o r k s 公司的m 胡a b 等【1 7 】。另外，一些测量设备生产企业为配合其设备的 竞争，也推出各自的反求工程软件，如r e n i s h a w 公司的t r a c e 等。 国外的一些大学也在致力于反求工程应用的研究。不过多数大学主要集中 在具体反求实物的事例上，而不是开发功能全面的反求工具软件。如麻省理工 学院为客户做过一套家用电炒锅的反求设计。美国大学研究人员根据肾脏的c t 数据，进行反求处理，在自己研制的一种专门用于人体软组织器官模型的桌面 成型系统上，r p 实体模型等等。 国内概况 我国的工业c t 技术发展始予上世纪9 0 年代初期。1 9 9 3 年5 月重庆大学i c t 研 究中心研制出我国第一台x n - - 1 3 0 d y 射线工业c t 机后，极大地推动了我国在工 业c t 技术上的研究和发展。但它并没有被用于反求工程。为了获取内部数据， 国内采取了破坏性的层切法。 由于国内起步晚，加上发达国家的技术封锁，使得国内的反求技术的发展 要落后于国外先进水平为了打破国外对这一技术的垄断，政府、企业、高校 纷纷走上了合作研发这高新技术的道路。其中做得比较出色的有： 海信集团技术中心工业设计所研制开发的反求工程项目，此项目包括 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反 求工程设计开发系统；华中科技大学开发的三维激光彩色扫描系统3 d l c s 9 5 。 至于反求软件技术在国内的发展，要数浙江大学做的较成熟。浙江大学对 反求工程的研究和r e - - s o f t 的开发最早可以追溯到2 0 世纪8 睥代早期的研 究集中在散乱数据的三角化和三角曲面建模方面，并形成了以三角b e z i e r 曲面 模型为特色的反求建模软件系统；随后，在三角曲面的基础上研究并实现了 n u r b s 曲面的分块重构，同时还集成了基于三角b e z i e t 曲面模型的曲面加工模 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 块。之后，在基于大规模点云数据的反求工程方面取得了较大的理论突破，发 展到了基于特征的反求建模阶段。r e - - s o f t 系统历经了十余年的开发，目前已 发展到6 o 版本，并广泛应用于飞机、汽车、摩托车、家电等领域，在中国市场 拥有较高的知名度。近年来，通过与美国通用电器、意大利c o o r d 3 等国际大公 司的深入合作，正逐步走向国际化【1 5 1 。 此外，西安交通大学c 订s 中心的面向c m m 的反求工程测量机的研究、 上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动化建模技术、南京航空航天 大学c a d ，c a m 工程研究中心的基于海量散乱点三角网格曲面重建和自动建模 方法、华中科技大学的曲面测量与重建及西北工业大学的数据点处理、建模等 究【1 7 1 。 另外还有一类系统，它们不建立曲面模型，只是通过些处理，将测量数 据直接转换为n c 程序或r p 接口格式文件。如清华大学激光快速成型中心致力 于照片反求、c t 反求研究。照片反求是通过提取实物照片的几何信息，重构实 际物体的s t l 模型，然后用r p m 系统制造出该物体的原型。c t 反求是指利用 人体器官或工业零件的c t 切片扫描文件，通过图像处理，提取物体的层片文件 格式。北京隆源公司实现了将片层反求数据( c t 、c o d 和激光扫描数据直接 转换成r p 加工的数据。华中科技大学快速成形中心正在致力于将测量数据反求 转化成r p 接口数据的研究。 但与国外相比，国内研究起步较晚，创新性的研究不多，在国际学术领域 还没形成较大影响力。并且，由于缺乏自主的c a d ，c a m 软件支撑以及反求工 程上测试设备和下游应用，使得国产软件在设备接口、数据转换和应用上一直 滞后于相关产品，开发的软件显得势单力薄，与国外软件竞争处于劣势。 1 5 主要研究内容 本课题来源于重庆市科技攻关计划项目“复杂工件封闭内腔和外形的无损测 量及快速原形研究”，其研究目标是：把工件的工业c t 图像输入编制的软件，经 过它对图像的处理，输出的图像数据可以被现在的商用c a d 反求软件接受并进行 三维建模后用于快速原形制造，或图像数据可以直接用于快速原形制造。 围绕上述目标，本文以某一工件为研究对象，重点对工件的计算机断层扫描 数据的反求进行了研究。本文的研究内容可分为以下几个部分：对工件的工业 c t 断层图像进行图像处理；图像矢量化处理及数据输出i 基于工业c t 法快 速反求系统的数据处理方法；反求数据的快速原形制造。 重庆大学硕士学位论文2 基于反求的工业c t 图像的预处理 2 基于反求的工业c t 图像的预处理 在工业c t 图像的获取过程中，由于影像设备中各电子器件的随机扰动和周 围环境的影响，使图像含有噪声和失真。因此，需要对图像进行预处理来改善图 像的质量，使处理过的图像清晰、对比度增强、目标区域突出和噪声得以消除等， 改善其视觉效果或表现形式，为图像分析打下基础。 本章基于反求的需要，对工业c t 断层图像预处理的常用方法进行了介绍。 整个工业c t 的图像处理过程如下框图所示，其各个过程的算法在下面分别论述。 格式 b 疑掰数据源f 二二 。_ _ 滤波边缘 垃k 盏盏_ o 出湖k 盆。盖盆湖瞌_ - _ 洫盆湓 图2 1 图像处理框图 f i g 2 1c h a r to f i m a g ed i s p o s i n g 2 1 数据源的格式转换 本课题研究的最初数据是工业c t 对物体扫描后经数学计算重建得到的正式 的断层图像，该图像的存储格式为r a w 格式，大小为5 1 2 x 5 1 2 ，该格式记录了扫描 所得物体的最原始的未压缩的数据。但其数据量过大，不变于图像的后续处理， 而且在一般的看图软件中也不能正常显示，看不清物体零件的具体形状。因而在 图像处理前还必须将之进行格式转换，这里采用常用的一种图像格式一b m p 位图 格式。 建立一个b m p 图像文件的文件头，一个2 5 6 色的调色板，把调色板中的颜色 设置成2 5 6 级的灰度，然后按b m p 文件的格式写入一个文件中，再把l a w 数据写 进去，最后用c b i t m a p l o a d f r o m f f l e 载入( 或者用c i m a g e ) ，图像就可显示出来 了。具体的程序如下： s t r u e tc g r a y b m p h e a d e r b r n 讧a _ p n 呵f o h e a d e r h e a d e , r g b q u a dp a i s e 2 5 6 ； v o i ds e t i n f o ( i n tw , i n th ) 9 重庆大学硕士学位论文 2 基于反求的工业c t 图像的预处理 h e a d e r b i w i d t h = w ： h c a d e r b i h c i g h t = 赴 ； c g r a y b m p h e a d 比：t g r a y b m p h e a d e r 0 h e a d e r b i s i z e = s i z e o f ( h e 瓤i c r ) ； h c a d e r b i p l a n e s= l ： h c a d c r b i b i t c o u n t= 8 ： h e a d e r b i c o m p r c s s i o n= b i _ r g b ； h e a d e r b i s i z e h n a g e = o ： h c a d c r b i x p e l s p c r m c t e r = 1 2 0 ； h e a d e r b i y p e l s p e r m e t e r = 1 2 0 ； h e a d e r b i c k u s e d= o ： h c a d c r b i c l r i m p o n a n t = o ： f o r ( i n ti = 0 ；i c l e a r a l l ”f i t e l = s l i c e _ ； f i l e 2 f f i r a w t , f i l e 3 = b m p ： f r a m e = 2 8 8 ； ”n = 5 1 2 ； f o ri f l ：f r a m e n a m e = f i l e ln u m 2 s t r ( i ) i i l e 2 ； f i d - = f o p e n ( n a m e , t o ) ； v a l - - - f r e a a ( a d , n ，n 】，i n o 砒) ； v a l = v a l ，m a x ( v a l ( ：) ) ； n a m e 一 f i l e ln u m 2 s t r ( i ) f i l e 3 ； i m w r i t e ( v a l , n a m e , o m p ) ； e n d 数据转换前后图像的对比情况如下图所示： ( a ) r a w 数据格式阻片 ( b ) b m p 数据格式| 璺l 片 ( a ) p i c t u r eo f “璐旷d a t af o m m t( b ) p i c t u r eo f 1 a m p ”d a t af o r m a t 图2 2 两种不同数据格式的图片显示情况 f i g 2 2t w od i f f e r e md a t af o r m a t so f ap i 瓣 重庆大学硕士学位论文2 基于反求的工业c t 图像的预处理 2 2 断层图片的基本预处理方法 2 0 瑚 图像预处理就是应用数字图像处理技术来改善图像的质量。一般情况下，对 于所得到的工业c t 断层图片( b m p ) ，由于工业c t 机本身系统、外界的干扰、 图像重建过程中各种客观因素的影响以及传输过程中的噪声污染，都会使图像模 糊和图像质量下降。因此有必要对图像进行图像增强处理以改善图像。图像增强 的目的是采用一系列技术改善图像的视觉效果，或者将图像转换成一种更适合于 人或机器进行分析处理的形式。它并不一定追究图像降质的原因，只将图像中感 兴趣的特征有选择的突出，而衰减其次要信息。图像增强能提高图像的可读性， 改善后的图像不一定逼近原始图像，如突出目标的轮廓，衰减各种噪声。【1 明 图像的增强技术通常有两类方法：空间域法和频率域法。 空间域法主要是在空间域中对图像像素灰度值直接进行运算处理。 频率域法就是图像的某种变换域中( 通常是频率域中) 对图像的变换值进行 某种运算处理，然后变换回空间域。它是一种间接处理方法，我们可以用图2 3 来 描述该处理。 在此，介绍对比度增强，然后是图像平滑和图像锐化等几种图像增强方法。 礓歪i 两! 竺：! ，厂i 司兰生：塑 图2 3 频率域增强模型 f i g 2 3m 缸i i e m 硝c mm o d e lo f 蚰吲哩：吐l 砌i m a g ei n 白狮c yf i e l d 2 2 1 对比度增强 有些工业c t 断层图像的对比度很差，因此，有必要对图像中每一像素的灰 度按一定的规则进行灰度标度变换，扩大图像灰度的范围，达到增强的目的这 是一种简单但又十分重要的方法，可以用下式来描述： g 似力= 疆厂伉y ) 】 其中f ( x ，力是处理前的图像，g 阮力表示处理后的图像，t 表示从，到g 的 映射。 对比度增强可分为灰度变换法和直方图修整法。其中前者又分为线性，分段 线性和非线性的灰度变换以及其他的灰度变换。直方图修整法通常分为直方图均 衡化和直方图化两类。下面对部分常用方法进行简单介绍。 灰度变换法 1 ) 线性灰度变换 由于对比度不足，使图像中细节分辨不清。这时如将图像灰度线性扩展，常 1 2 重庆大学硕士学位论文2 基于反求的工业c t 图像的预处理 能显著改善图像的主观质量。假设原图像，( x ，力的灰度范围为 m ，m 】，希望变换 后图像g ( j ，力的灰度范围扩展至4 阻n 】，则可采用如下的线形变换来实现： g o ，力= 面n 一- - m h 、, i f ，力一所】+ 疗 下图为变换关系曲线 n n 0 ( x ，订 图2 4 线性灰度变换 f i g 2 4 l i n e a ri r a n s f o t mf o rg r e ys c a l e 2 ) 分段线性灰度变换( 又称灰度拉伸) 为了突出感兴趣的目标或者灰度区间，相对抑制那些不感兴趣的灰度区域， 可采用如下的分段线形变换法来实现，常常采用的是三段线形变换，如图2 5 示： g ( x ，力= ( e l 口) 八五y ) 0 f ( x , y ) 口 拿二三【，瓴力一明+ ca s f (