用ImageWare实现缺损点云的曲面重构

1、|维普贽讯 哪：/7/75叩8冋2005年9月农机化研究用ImageWare实现缺损点云的曲面重构张景涛，卢章平(江苏大学 图形技术研究所.江苏镇江212013)摘要：针对有缺损的点云数据提甜了在逆行工程软件ImaEare乎台下进行曲面聲构的途径；介绍了 运用逆向T.程技术进行CAD模型设计的操作流程；用平行而载収点云数抵*拉合出曲线线条；通过对曲线 条的桥接，利用瓷整的曲线条重构出曲面。关键词：仁业披术；逆向L程；理论研究；缺描点云；数烟分割；曲面重构中图井类号；TB21文厳标识码：A文章编号：1003188X(2005)05 C090031引言將断开的线条桥接.即形成完整的线条列，随后根

2、据线条列形成曲面-92 -|维普贽讯 哪：/7/75叩8冋2005年9月农机化研究在逆向工程技术中.往往是先对零件进行数字 化处理以得到其点云数据、之后通过对点云数据 的处理完成零件的CAD造型。然而.在有的情况 下，由于零件原型的唯一性*原型的袤面存在君缺 陷以及扫描设备本身的局眼性和不可完美性，导致 得到的点云数据很可能有缺损(图1所示为一零件 表面列描后的点云数据，其中显示了两处缺损面、 它的缺损冇其不可避免的一面h这里的缺损既指数 据丢失造的缺少，也包含甜外部原因造成的数据不 真实。S 1 悴的点云數据笔若从一有缺损的点云数据入手经过点云预 处理片.对点云数据进行分割克为此，把缺损而分

3、 割在了同一张点云片中，这样在以后的工作中就 可以仅研究有缺损的分割点云片。对于此抉损的点 云数据.笔者用平行的截面来载取，形成一系列的 点云线条，苴中含有由于数据缺损而造成的断开了 的线条*接下来.笔者将点云线条拟合成曲线再2测量数据预处理在实际扫描过程中，由于环境和原別本休特征 的影响，使点云数据不可避免地受到噪音污染。为 了获得完整、正确的测疑数据，以方便后续的造型 工作*需要对测量数据进行预处理.主要包拾格式 转换，数据过滤及乎滑处理，数据精减及插补等倒。在莲型之前还要进行的一个重要工作是数据分 (Points Data Scgmcntat ion) o 数据分割时 * 根 据组成实物

4、外形曲面的类拥.将属于同一子曲面类 型的数据成组，这样全部数据将划分成代表不同曲 面类型的数据域为后续的曲面模型重建提供方便 针对于有錢损的点云数据.在分割时还点照顾到缺 损部分，笔者把缺损部分的数据分在同一午点云片 中.这样就没有让分割线穿过缺损区域。隔离岀的 包含缺损部分的点云片如图2所示。S 2分割出的点云片3曲面模型重建及质量分析-92 -|维普贽讯 哪：/7/75叩8冋2005年9月农机化研究2001-10-15作奢简介；张累禅t L90 ).羽.河南都州人”越上临.馆-耐genl- com-3.1 曲面重建ImageWare柞为EDS的逆向工程造型软件，具 有强大的测越数据处理、曲

5、面造型和误差检测功能* 可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云 数据构造出A级曲而(CLASS A),耳有良好的品质和 曲面连统性，在湘率和配对面相切方面受到完全的 控制叫经过前期的预处理王作*得到的是经过去噪等 处理后的点云数据为了实现缺损处点云的曲面重 建，就必须将缺损处的数摇重现。对于通过打描设 备得到的点云数据*可UH吏用曲线插值补充法来完 成修补首先利用已得到的测昼数据拟合得到载面 曲线根据曲面的几何形状.利用曲线编辑功能， 选择曲线切向延扔、抛物线延拓和弦向延拓等不同 方式将曲线延场通过需插补的区域，然后再离敝 曲线形成点列，补充到空白区域.在逆向工程软件 lnageWare

6、中！依据所得的数据点，可段方便地实 现曲面的造醯另外，如果点云是有规则的数据缺摄部分的 重建就变得非常容易此时完全可以避开缺损体， 直接用平行载面对该数据进行切割.剔除有中断的 点云线条(因为表面是规则的曲面，缺搦体数据的 S1失对规则体的整体形状影响甚小工昭下连续的点 云线条由于曲面的规则性*可由这些连续的线条 构建出川1面外形。笔者在这里研究的是不规则的点云数据(如图 2所示h姿处理该缺损的点云数摇，先对该数据进 行Cross Section,采用Parallel方式得到如图3 所示的H云线条(该线条是栽面上的点云数据几S3 3点云线条此时，可以发现有些线条是断开的，斷开的地 方就是由于数

7、据缺损而造成的”对于不规则点云. 断开的线条不能丢失，需要将其拼接并拟令成曲线。 对于连续的(相对于断开的而育)点云线条.可以直 接拟合成曲线；而对于那些断开的点云线条，需要 先进行拟令运算*然后桥接。为了保证较高的精度* 宜采用NbRBS方袪进行曲线拟合：NURBS曲线为一 分段的矢虽有理多项式函数茸表达式为W2 （2 0.1 曲） 式中 -控制顶点的位置矢量；叫)一次B样条基函数；闿一相应控制点的权因子。根据上式结合最小二乘法逐层拟合*可分别得 到各个截面上点云线条的曲线方程“打由此点云线 蘇拟合出的曲线如图4所示。4初涉拟合出前曲坡条为了桥接井拟合出完整的曲线，笔者采用如下 方法：首先将

8、断开的点云线条数据分开*即以断开 点为分界将该线条视为两亍线条.然后分别将两线 条构成曲线(NUKBS曲线几为了实现斷开部分的曲 线重构*就要将分开的两曲线连接叫配为一条完整 曲线，如图5所示。两条分开的袖线口配肓威一连城的關线闺5曲墟桥接在此.可以确定用来兀配的影响区域(Effect Extent) 柑切比例因子(Tangent Seale Factor) 和连续性的类型(Continuity Type) 0其中，连续性 类型确定了匹配的方式，有位置连续(Positional)、 相切连续(Tangent)利曲率连续(Curvature) 3种。 笔者采用Tangent方式*形成了完整曲线*

9、如图6 所示无论是用哪种方法来处理断开线条，在形成曲 线的时候都会涉及到曲线的度(Order)与控制点数 (Control Points) Q 在逆向工程软件 Image Ware 中 T 曲线的数学模型是NURBS Illi线。在该模型中.存在 有如下关系式控制点的数量二内部节点数+自由度+1曲线阶次二自由度则控制点的数量=内部节点数+阶次笔者这里形成的曲线都置成了度数为4.并有8 个控制点通过上面的途径.现在得到的是完整的曲线线 条。依此*可以重构出基于NURBS的A级曲面。依 据曲线线条可以Loft岀扫描面(如图7所示)。6 桥接后的曲竦条图7 构出的曲面3.2曲面分析为了对曲面做出评价

10、*需分析该曲面的误差情 况中将构建的曲面与初始点云数据进行比较*对比 分析后的误差显示如图&所示。其中.图8(詁为误 差分析的彩色云图显示*它将每个点的法向误差用 色码显示出来；图8(b)为误差分析报告*其中包含 了最大误差、平均谋差和标准误差。(a)汉差分折的彩色云图| Std, H/7/75叩8冋2005年9月农机化研究-92 -|维普贽讯 哪：/7/75叩8冋2005年9月农机化研究Surface Reconstruction of the Abridged Cloud Data in ImagewareZHANG Jing-tao, LU Zhang-ping(Graphics tec

11、hnology Research Institute, Jiangsu University Zhenjiang 212013, China)Abstract： Aiming at an abridged cloud data, this article advances a way in reconstructing its surface through reverse engineering software Imageware, The operation stream about designing CAD model utilizing reverse engineer technology and based on Imageware is introduced. After intercepting cloudy data with parallel planes and fitting some curves, through linking