摘 要：反求工程是指根據(jù)已有產(chǎn)品或產(chǎn)品原型構(gòu)造其三維模型的過程。目前，反求工程已成為世界各國消化、吸收國內(nèi)外先進技術(shù)和對現(xiàn)有產(chǎn)品進行改進的一個重要手段。主要研究基于ICT（Industrial Computed Tomography）切片圖像的反求重構(gòu)技術(shù)，其中包括ICT切片圖像預處理、中間灰度圖象的插植、輪廓數(shù)據(jù)的跟蹤及輪廓曲線擬合等，最后轉(zhuǎn)化為CLI格式進行快速成型。 

關(guān)鍵詞：反求工程；ICT；切片圖像；CLI

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2008)02-149-03

Research on Reverse and Reconstruction Technology Based on ICT Slice Image

REN Jingying

(Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China)

Abstract：Reverse engineering is a process of constructing 3D model of product by existent or its prototype.At present，the technology of RE is digested and absorbed by all the country，and is an important channel of betterment the products.This dissertation mainly studies reverse and reconstruction technology based on ICT(Industrial Computed Tomography) slice image.ICT slice image processing，middle image interpolation，contour tracing and curve-fitting，at last，CLI format is applied to rapid prototyping.

Keywords：reverse engineering;ICT;slice image;CLI

1 引 言

反求工程與傳統(tǒng)的被稱為正向設(shè)計的方法和過程有著根本的不同，在正向設(shè)計中，產(chǎn)品的概念從無到有、逐步形成并完善；而在反向設(shè)計中，產(chǎn)品已經(jīng)存在，要做的是從對現(xiàn)有產(chǎn)品所掌握的信息中反推其產(chǎn)品模型和設(shè)計思想，進而進行再設(shè)計和改進，其流程圖如圖1所示。

研究反求工程（Reverse Engineering）的主要目的是為了改善技術(shù)水平、提高生產(chǎn)率、增強經(jīng)濟競爭力。通過反求工程技術(shù)，不僅可以消化國外先進技術(shù)，解開國外先進產(chǎn)品和設(shè)備的技術(shù)秘密，更可找到原型產(chǎn)品的缺點，加以改進，設(shè)計出更好的產(chǎn)品。因此，研究反求工程技術(shù)，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)水平的提高，具有重大的意義［1，2］。

由于反求工程有著優(yōu)越的技術(shù)特點和廣泛的應(yīng)用前景，世界各國紛紛開展3D信息獲取、三維模型重構(gòu)等相關(guān)方面的研究工作。美國在醫(yī)學CT方面的研究處于世界領(lǐng)先地位，將CT技術(shù)用于心血管病的快速診斷與有效治療，取得了很好的成果。法國MENSI公司研制生產(chǎn)的三維激光掃描設(shè)備及三維重構(gòu)成套軟件系統(tǒng)處于國際同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平，但對于帶空腔物體的重構(gòu)卻無能為力。該公司與西北工業(yè)大學現(xiàn)代信息與電子系統(tǒng)研究所合作，成立了中法國際數(shù)字信息技術(shù)研發(fā)中心，開展三維信息獲取、圖形圖像獲取、輪廓識別與匹配及三維重構(gòu)等諸多方面的研究開發(fā)工作。

我國也在積極開展這方面的研究工作，取得了可喜的成果，陸續(xù)有軟硬件系統(tǒng)問世。西安交通大學先進制造技術(shù)研究所在快速原型制造(Rapid Prototyping and Manufacture，RPM)及反求工程方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。近年來，開展了基于斷層測量的快速反求系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)以及光固化法快速成型系統(tǒng)的研究工作。浙江大學CADCG國家重點實驗室開展了反求工程CAD建模技術(shù)的研究，并有該方面的工程化軟件RE-SOFT獲得國家專利。西北工業(yè)大學CAD/CAM國家專業(yè)實驗室重點看展了CAD建模及三維重構(gòu)方面的研究工作，謝紅博士進行了基于ICT的CAD建模技術(shù)研究，王廣博士進行了基于ICT的裝配體反求關(guān)鍵技術(shù)的研究等。

需要指出的是，目前的大部分研究都是對無分叉不帶型腔的簡單情況的零件，本課題致力于研究對帶復雜輪廓的切片圖像的重構(gòu)問題。

2 研究運用的理論和方法分析

在反求工程中的快速成型（Rapid Prototyping）應(yīng)用中，雖然存在著各種各樣的二維數(shù)據(jù)來源，但是切片仍然占據(jù)了絕大部分應(yīng)用領(lǐng)域。自從1988年3DSystems公司引入STL文件以來，由于其簡單易行，后續(xù)切片算法簡單、通用，受大多數(shù)快速成型系統(tǒng)支持，因而成為一種事實上的標準［3］。在實際應(yīng)用中STL文件存在如下問題：數(shù)據(jù)冗余、文件龐大、缺乏拓撲信息、容易產(chǎn)生錯誤、診斷與修復困難；使用小三角形平面來近似三維曲面，存在曲面誤差；大STL文件的后續(xù)切片將占用大量的機時；有時需要重新造型等。相比較而言，直接切片拋開了STL文件，直接從CAD模型中產(chǎn)生二維輪廓環(huán)數(shù)據(jù)，避免了三維模型的表面近似，具有更高的精確度，同時也避免了STL文件尺寸龐大、存在錯誤等問題，減少了快速成型加工的前置處理時間，省去了錯誤診斷與修復程序，成為當今快速成形技術(shù)中很熱門的研究方向。

三維CAD模型經(jīng)過直接切片以后，處于二維半的輪廓環(huán)描述狀態(tài)，這類數(shù)據(jù)在快速成形、無模具成形等分層加工工藝和醫(yī)學領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。目前，由于研究人員開發(fā)平臺的差別，直接切片數(shù)據(jù)存在多種描述格式。其中，比較著名的有CLI(Common Layer Interface)、SLC(Stereo Lithography Contour)等格式，他們都采用線性近似方法描述實體輪廓。CLI格式［4］采用層(layer)、輪廓(contour)、多線(polyline)、填充線(hatches)等描述數(shù)據(jù)模型。他采用封閉式多線來描述截面輪廓，采用填充線或開放式多線來描述輔助支撐。對于所有分層加工系統(tǒng)而言，他都是一種簡單、有效、明確的數(shù)據(jù)輸入格式。SLC文件也是CAD模型的一種二維半輪廓描述，他由z向的一系列逐步上升的橫截面組成，在這些截面中，實體由內(nèi)外邊界多線表達。他規(guī)定，線段表示連接2個平面點的直線，多線表示封閉的有序線段序列。他可以由CAD模型、表面模型、CT掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化生成，受3DSystems公司的新型機器所支持。SLC文件格式雖然克服了STL的某些缺陷，但也存在如下問題：截面輪廓仍然是對實體截面的線性近似、精度不高；計算較復雜、文件龐大、生成費時。

根據(jù)上述分析這些格式的優(yōu)缺點及近幾年的發(fā)展趨勢，又由于本課題圖片是一系列斷層輪廓數(shù)據(jù)，對這些輪廓數(shù)據(jù)進行CLI格式的快速成型。

3 課題研究方案

本課題采用的是ICT（Industrial Computed Tomography）切片圖像，其特點是可以采集帶有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的被測物體的形狀信息，通過計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)，對斷層圖像經(jīng)過一系列處理，最終構(gòu)造出其三維數(shù)字模型，輸出滿足快速成型技術(shù)要求的數(shù)學模型。利用這些數(shù)學模型就可以實現(xiàn)實物的仿制和改進。

根據(jù)課題要求及實驗數(shù)據(jù)的特點和預期要達到的目標，決定主要分以下幾步進行：

3.1 平滑濾波

在ICT圖像的獲取過程中不可避免地會產(chǎn)生各種各樣的噪聲，這將影響到以后的處理，如產(chǎn)生虛假邊界等。因此，為了抑制噪聲，改善圖像質(zhì)量，必須對圖像進行平滑處理。

3.2 插值中間灰度圖像

隨著各種影像技術(shù)的發(fā)展，可輕易地獲得一系列ICT的斷層灰度圖像，然而多數(shù)情況下，這些離散的圖像數(shù)據(jù)是非等分辨率的，其相鄰兩層圖像間的距離要大于同一斷層圖像中相鄰象素間的距離。為了后續(xù)快速成型工作的需要，用灰度圖像插值的方法將這些非等分辨率的斷層圖像轉(zhuǎn)變成等分辨率的圖像，以便對他們進行后續(xù)處理和輸出CLI格式文件。經(jīng)過分析和查閱資料，這里采用基于形狀和基于灰度相結(jié)合的方法進行插值［5，6］如下：

通過2幅已知的灰度圖像，用數(shù)學形態(tài)學的方法確定出插值圖像的輪廓。通過求出輪廓內(nèi)任意插值點與中心點的位置關(guān)系，分別找出其在2幅源圖像上的對應(yīng)點。如果2個對應(yīng)點的灰度值較為接近，可通過線性插值直接求出此插值點的灰度；如2個對應(yīng)點的灰度值相差較大，則判斷插值點的相對位置與哪個對應(yīng)點的相對位置接近，并認定插值點的灰度值即為此對應(yīng)點的灰度值。將圖像的形狀信息和灰度信息較好地結(jié)合起來，對輪廓內(nèi)所有的點采用上述算法，即可求得最終的插值圖像。

通過插值出中間灰度圖像，對后續(xù)工作的CLI格式輸出做好準備。

3.3 對切片圖像和插值出的圖像預處理

3.3.1 切片圖像閾值分割［7，8］

由于課題圖片是一些ICT切片，在ICT切片圖像的獲取過程中不可避免地會產(chǎn)生多種噪聲，產(chǎn)生虛假邊界。因此需對其進行閾值分割處理，去掉一部分偽跡。在閾值分割中最關(guān)鍵的是如何選擇最佳閾值。雖然已經(jīng)提出很多種閾值選取方法，但仍然沒有一種對所有圖像都能有效分割的閾值選取方法。某種閾值分割方法只能適用于某一類圖像，而對其他圖像分割效果并不理想。由于最后在快速成型時需要的是輪廓數(shù)據(jù)，所以在閾值分割的過程中希望能較好地保留原圖的邊緣輪廓特征，并不增加新的邊緣特征。這里采用邊緣檢測與自動閾值相結(jié)合的圖像分割方法。 

3.3.2 邊緣檢測

采用canny算子檢測圖像邊緣，為后續(xù)CLI格式的輸出準備。

3.3.3 對切片直孔進行圓擬合

由于測量精度的影響，原始實物在進行斷層掃描后，原來分布比較均勻的直孔圖像產(chǎn)生較大誤差。這需要對這些直孔檢測出形心點，對其進行圓擬合來逼近原始直孔，這里采用最小二乘法原理來進行圓逼近［9］

3.3.4 輪廓跟蹤與特征點采樣

邊緣檢測得到的輪廓是離散、獨立、互不關(guān)聯(lián)的各個邊界輪廓點的無序組合，所以進行輪廓跟蹤得到封閉連通的、完整精確的邊界輪廓線，同時為了精簡數(shù)據(jù)進行特征點采樣。

3.4 對處理過的輪廓數(shù)據(jù)上下層進行光滑擬合

對于一般的重構(gòu)表面三維圖形，總要通過一定的方法進行平滑處理，才能達到比較滿意的效果，選取一個好的插值算法，既能彌補丟失的數(shù)據(jù)又能夠達到物體平滑的目的。在選取表面平滑算法時，需要對速度和精度同時進行權(quán)衡，以得到一個更合理的效果。

3.5 處理精度的分析

在整個處理過程中存在各種誤差，有些是可以避免的，有些則不可避免。這樣得到的產(chǎn)品很可能達不到要求。由于精度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟效益，為此，一方面要盡量減小誤差以提高精度，另一方面則采取相應(yīng)的反饋補償?shù)霓k法來修正模型，以滿足實際需要。

3.6 轉(zhuǎn)化為CLI格式快速成型

在產(chǎn)生CLI格式的文件時，需要區(qū)分內(nèi)外輪廓，根據(jù)數(shù)據(jù)的特點，采用基于射線的內(nèi)外輪廓判別方法。最后進行快速成型。

4 研究內(nèi)容流程圖

研究內(nèi)容流程圖如圖2所示。

5 難點

對于相鄰兩層圖像極不相似的情況，插值算法很難達到很理想的結(jié)果。特別是一層沒有，而另一層有較復雜的分支輪廓。

參 考 文 獻

［1］栗全慶，王宏，張英杰，等.實物反求工程的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].機械設(shè)計，1999(6):12-18.

［2］金濤，童水光.逆向工程技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［3］陳緒兵，葉獻方，黃樹槐.快速成形領(lǐng)域中的直接切片研究［J］.中國機械工程，2002(13)：605-606.

［4］王運贛.快速成形技術(shù)[M].武漢:華中理工大學出版社，1999.

［5］Grevera G J.Udupa J K.An Objective Comparision of 3-D Image Interpolation Methods［J］.IEEE.Trans.Med.Imaging，1995，17(4):642-652.

［6］孟晉宇，舒華忠，鮑旭東，等.一種新的基于形狀的灰度圖像插值方法［J］.東南大學學報：自然科學版，2003，33（3）：222-225.

［7］王耀明，董建萍，嚴煒.圖象閾值分割的統(tǒng)計迭代算法［J］.桂林電子工業(yè)學院學報，2000，22（6）：6-7.［8］王丙文，劉京南.模糊閾值分割算法在具有雙峰直方圖圖像中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2001，24（10）：3-5.

［9］孔兵，王昭，譚玉山.基于圓擬合的激光光斑中心檢測算法［J］.紅外與激光工程，2002，21（6）：275-279.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。