逆向工程中数字化测量与点云数据处理

1、第9期罗大兵等:逆向匸程中数7化测罐与点公数据处理-# -机械设计与制造Machinery Design & 'lanufaclure文堂编小 1001 - 3997(2005 >09 - 0056 - 02逆向工程中数字化测量与点云数据处理罗大兵 高 明I：培俊(0勺南交通大学机械学院，成都610031)Digitized measurement and point clouds data processing of reverse engineeringLUO Da - bing. GAO Ming. WANG Pei - jun(School of Mechanic

2、al Engineering. Siutlnvest Jiaolong L niversity, Chengdu 61003 L (Jiina I-【摘要】逆向匸程作为新产品开发和消化、吸收先进技术的重要手段，其应用越来越受到重视。本i文主要总了逆向工程中数据测量方法及影响测量梢度的因熱从噪声去除/视对齐裁据光顺、数据: I梢箭.数据分割等方闻讨论丁点云数抓的处脛方法.i1关键词：逆向工程：数字化测虽：点云处理!(Attract l.U un important method of' developing new protiuds and absorbing advanced tech

3、nology, re i : tme engineering is attached more and more im/rlance. This paper summarized the methods of digitized -V meMUrement and the facts tiffed ling measurement accuracy, discussed the methods of point 一 data processing iI from seferal aspects, such as noise data deletion, multi - rieiv regisl

4、rulion, data smoothness, data reduction .t and data segmentation etc.：siKey words: Reverse Engineering; Digitized Measurement; Point - Data Processing?© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.ncl第9期罗大兵等:逆向匸程中数7化测罐与点公数据处理-# -© 1994-2006 China Ac

5、ademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.ncl第9期罗大兵等:逆向匸程中数7化测罐与点公数据处理-57 -中图分类右：TP391.41文献标识码：A逆向工程件为一种新产品开发和消化.吸收先进技术的甫 契手段,在制逍业.特别是航空汽车、犀托车尊行业中的应用 越来越受到重视.这輕主©讨论点云8( IK的测尺处理方法.1数字化测最实物廉星的数字化测虽是逆向匸程实现的星础和关键技 术之只冇选用介理的测位方式和操作过程.才能高效地获 度的点云数据量方式可分为接繳式Mh II接触式 测虽和断层扫描三类接

6、触式测磧典型的测磺系统为三坐标测应机(CMM).已 右儿卜年的历史发展相均成熟仃较岛的准确性和町靠性.11 与被测件表面的反射性、顔色及曲率等关系不大但其测欣速 度慢需对测lil探头半Q进行补偿.接触力将便探头y被测件 Z间发生财部变形血妙响测届椅度。凶此当要求较為的测蜀速 度或被漢I件农而材料较软时不宜采用接触式测虽.*来稿H期：2005 -0116非接触式测吊主耍是运用光学原理进行数据采集.其测城 系统通常称为3D打描仪测业方法仃激光三角形法、激光测齟 法结构光法、干涉法、结构分析法零.非接触式iWfiW测就速 度快、不必做探头和仝补偿、被测件材料不受限制等廉虬近年 采发展十分迅速.在实际

7、应用中越来越占主导地位非接触式 测就的梢度易受工件农面反射转性及环境光线等的/响.噪ff 较髙.工业计算机断层扫描成像法(1CT)於对被测件进行逐层扫 描获得一系列断层斟像切片和数据.包括内挪结构的完整信 息1月此可适用于任何结枸形状但精度较低.获得岛箱度的点公数据.除f介理选择测竝方式外在操作 过程中还应注意以下问题， 测凰设涪的标址测虽系统只仃进彳丫将确的杯定才能 控制点云的谋差.在设备槪运、环境变化或长期工作麻可能导 致标定值偏移故应巫新标泄。 环境捽制测讹过程中测彳系统和被测件不应发生振动： 不同的测蚩系统仃待定的温度要求.匸作坏境的温度应便J调 节;运用)t学原理的非接触式测讹对环境

8、光线仃较岛耍求坏境 光纽不傥过强.11光照应均匀. 粧测件预处理绝大爹数测就系统对被测件卜的孔惜. 凹边等无法进行数据采集这样在堆型时会出现数据“空白”将 堆人数据处理和逆向建模的雄度故测蟻询可采川石膏、油泥等 对被测件进行填充:采用光学原理式测秋时被测件颜 色宜为浅色，且和周国其它物体应行反差同时被测件麦面不应 反光.不満足这此耍求时可采用肴色港透探伤剂对被测件农面 进行啖涂石色处理啖涂时应保证涂岌的均匀。 测园路径规划采用接触式测城时需对测址略衿进行规 划.以冇序、快速、高效地采集数据.而避免测头与被测件发生 碰撞.乎动式2坐标测fit机的M路艮由操作音自行决定.计 n机数字控制型（cnc

9、 测量机可由软件控制进行f I动测乩 2点云数据处理敌7化测嚴紂到的点云数据不可避免地存在些何题.需 进和故据的处理.这址逆向匸程的关键坏恢兀结杲曲接形响 到r;期模乜匝枸的质尿.点云数据的处理包括喙声公除.褻视 对齐、数抑梢简数据光顺、数拥分割等诸姜方曲。2. 1噪声去除测园过程中由于测殂设备精度、操作？f经脸、被测件表面 硕斌、坏境等因責的步响.容劾产主 陀噪曲点（测嚴以无点）. 这些点将形响飯构模型的尢顺性痕将兀剔除。噪声点的判别 冃前主耍方法如下： 血接讲别对一些明显的片就点点和散乩点，可通过肉眼 判别直接删除。 曲找怜充法利用加小二乘法通过豉而数抓的杵末点拟 介曲线.检代中何并数撫点

10、到曲线的臬离是古超过允许值来判 定其足否为噪声点 角度判断法检金点沿打描线方向与潞后两点形成的夹 角廿小于允许值则该点可视为噪点 1d计如样 到建銭（弦的距离廿该即离大于允许值则视为噪点2.2多视对齐由于夜测件过大（如汽彳段锻件的测磺）或形状貝杂.测屋 时往往不俺次测出所有数据.而需耍从不同位覽.多视角进行 姜次劃嚴.再将这歧点云进行对齐.拼接参P2数据对齐实质为 界求采n不同坐标系下点云何的空伺变换,以进行空间匹ne. a 体为计弊満足如卜11标用数的竝转和半移吱换她阵R.r：min£ R pi* T qj、（p.r（74为需对齐的点云这足个高度芥线性问題点云对齐的研究主耍集中于寻

11、 求该创題的快速仃效的求解方法。其中赧”名的是BZ和 Mckay于1992年提出的ICP算法点云对齐方法主5! fir对ftMM直接对齐和£ J-图形的时 齐两种，采用对数拥的克接对齐方法时徐点云需仃明显待征. 当被测件将征不明显时可在其上人工粘曲转征点。而基于图 形的对齐方法.则是先对点云进行局部造型.再对齐这些儿何 图形.但很多时像局部堆型因难.相比之下该方法对齐效卒更 低目前各种痫用逆向软件基本都提供"視対齐功能.如点 云处理软件PohworlM采用了敌州的直接对齐方法而囱而取构 软件Imagcwarr则网种方法都采用（柑比之.b Iniagrwarv操作 员杂.对齐

12、效率低点云对齐后还应去掉以点云甫魯的冗余敌 抑;并姒终将它们拼介为一个毙整的点云2.3数据精简采用接触式3D打描仪iJHj测虽时何次打描匀到的测址 敌按是成千匕万的海最点云.卄对这歧点云克接造空 -方面大 MIK的”储和处理iflicnn：机资源便处理速度受慢浪费 时间刃 方啲并不於所仃的数据点也曲而垂构的都陡用上.w 此仆必要在保证一定轻度的敢提下对点云进行桥简点加的箱简町來用下列方式，平均材简一原点公中毎it 个点保用个;按弾离椅简一删除一歧点后使保留的点云中 点卩点何的览离均人某值：按戎偏足梢简图2为对汽午段 並件点云分别采用三种轻简方式结果对比.由图中町知按孩偏 羞粘简可使曲年变化人的

13、部分保皿更篡的点.这对曲而載构足 令利的（訂原点云（M平均辅简（e）«WWWM（d）tt弦仮左搐简图2汽乍覆孟件点云带简方式对比2.4数据光顾受人为和环境冈索的彩响.测饋的数据将包含噪声.为降 低噪声对后续纜模的滋响町对点云进行光顺处理.UP对点点 进行池波。常用的滤波昇法勺髙斯«；ausMan）滤波、半均 （/Xvrmging）滤波和中值（Mrdhm）滤波三种 A斯濾波指釆IT点 的权重为岛斯分布.半均效柴小.故滤波时曉较好地保持廉形 貌平均滤波折采样点的值为以数据点的统计平句值。中值滋 波折采样点的值为以数舟点的统计中值.这种滤波"J牧好地消 除无剌这三种方式

14、可根抑具体情况灵活应用点云滤波主耍 是针对有睜点公进行的若点云无序则可能出现意外絡 数 折光噸与维持点云高箝度在一定程度匕是对立的.点云精度越 可能比顺性tMMLrfu处用度可能降低 W此操作时应根据产品的用途和要求介理地设誉滤波参数.2. 5数据分割ifiW况下.被测件不是由一个曲面构成的.而是由若干 门山曲而、规则曲面及平面姐成.故在曲面重构前霜耍根据被 测件外现待点进彳J数据分割.以便对不同部分采用介理的方法 构邀曲面最后再将所仔曲而片折接、缝介成个整体.点云数 撫的分割方法分为测虽过程中的分抽和测虽后的分割。测谊过程中的分割绘指接触式测就过程中.提作人员根据 被测件的外形抽征人为进行曲

15、面划分.檢据划分结果观划测敬 路他将不同曲面的测址保存为不同的点云该方法分割效果 依赖丁操（1*的经衆和被测件外观的貝杂度.© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.ncl第9期2005年9月-58 -机械设计与制造Machinery Design & Manufacture丈堂“小 1001 -3997(2005 >09-0058 -02基于数字样机技术的新产品开发文怀兴 郭 就 刘 止(陕西科技人学机也工程学院咸阳712081)Deve

16、lopment of new product on the basis of digital prototypeWEN Huai - xingt GUO Hui» LIU Zheng(Shaanxi Llniversity of Science and lechnologj Xianyang 712O8L China)-【摘耍】论述了垒J" Pru/Engineer软件为屮心的数7样机设汁过程,通过建模、优化、动态仿貞等tf关键技术的研究与实现，构建了集成的虛拟设计与制造环境，可以快速开发出满足设计要求的创新: I产品。关键词：数了样机：Pro/Engineer:按摩机|A

17、bstract! This paper introduces lhe design procedure of digital protol)e on the basis of Pro/Engineer. H)the research and achievement of model developing, optimizing and dynamic emulating, we produce t the ent ironmeiH of visual design and nianiifucttiring. As a result, u e deielop lhe neu prinlucl a

18、ccording the demands in a short period.Key words: Digital prototype： Pro/Engineer： Massage appliance中图分类号：TP39I.9文献标识码：A1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第9期2005年9月-# -1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,

19、第9期2005年9月-# -1引言数字膵机技术也称虚拟样机技术.是20世纪80年代随若 计刃机技术而迅速发展起來的顶新技术.其孩心足机械系统 运动学和动力学仿典技术同时还包括三维CAD建模、仃限兀 分析加优化等相关技术运用敌字样机技术可以缩短机械产2系统结构与功能2. 1系统总体结构木汝设计上婴在敎7样机设计理论的指导下通过以Pro/ E为中心的-系列软件的联合使用.优化设计出符合便用整求 的三维整旬按摩机设计过程的系统总体结构如图I所示.1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reser

20、ved, 第9期2005年9月-# -品的设计开发周期.减少产品开发费用和成轧 提為产品质虽 与性能.获得鼓优的创新产品目曲该技术已在新产品设计中 人呈应用推动f仝球制造业利新产朋开发技术的快辿发烬-为此.我们在创新产品一三織廉芟按摩机的开发中采用 r该技术,建立了产乩的三维实体模里.分析研究了产品的製 配性可制造性和运动特性.模拟产品的装配和工作过程在虚 拟环境下进行设计iffl试.达到了产品设计性能整求,为生产物 理样机提供了理论依据该产品空2004年全国大学生机械创新 设计大賽西北地区比赛中荣获二等奖一体化用户成fflI设计过程的系统总体松图2.2系统功能*来誓日如2005-01 -13

21、业拉设计和制造环境丄姿包拈以卜儿个功能模块。鬪讯斤的分割是指测欣完成.并对点云进彳J噪声去除、多PX撫光甌.数据分割等方面对点云数据处理进行了讨论。在产品1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第9期2005年9月-59 -对齐我据W简、散抑;光噸麻进行的分割.这种分割緡进行笑杂的推理计算具体有基F边和基r-ifti 两种判定方法。廉于边的方法是指通过敌据点法矢斤的究变或 衙阶呂散不连续判定其圧會为边界点连接外边界点成対闭环. 則边界坏内的点云为一个曲面片.谀方法只用到边界局部数 拥.II易受噪点彬响可能出现借谋的推理结果.菇于面的方法 址将具有相