北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 劉麗惠 薛 勇 蔣 濤

解放軍信息工程大學(xué) 翟 翊

則泰三維技術(shù)應(yīng)用專欄

逆向工程在“一滴血”紀(jì)念碑重建中的應(yīng)用

北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 劉麗惠 薛 勇 蔣 濤

解放軍信息工程大學(xué) 翟 翊

隨著社會(huì)生產(chǎn)水平的不斷提高以及三維激光掃描技術(shù)的成熟，逆向工程作為一項(xiàng)全新高效的技術(shù)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。以大連英雄紀(jì)念碑“一滴血”為例，探討其在雕塑重建工程中的應(yīng)用，通過介紹三維激光掃描儀及數(shù)據(jù)獲取方法，提出一個(gè)可行方案。

紀(jì)念碑;重建;逆向工程;三維激光掃描;曲面重構(gòu)

一、引 言

“一滴血”英雄紀(jì)念碑坐落于大連市西崗區(qū)英雄紀(jì)念公園內(nèi)，建成于1998年，碳鋼結(jié)構(gòu)，高17 m，重150 t。它全身鮮紅色呈放射狀，似血滴掉在地上飛濺的瞬間，如英雄灑下的熱血，是大連一道醒目的景觀。經(jīng)過多年的風(fēng)吹日曬雨淋，“一滴血”紀(jì)念碑已銹跡斑斑，碑體受到嚴(yán)重腐蝕，成為廣場(chǎng)上的安全隱患(如圖1所示)。經(jīng)過多方鑒定，其維修的價(jià)值不大，原址原樣重建方案得到了最終采納。但是，如今已經(jīng)找不到可利用的設(shè)計(jì)施工資料，要想重建一個(gè)形狀、大小、尺寸完全一樣的雕塑，采用逆向工程(反求工程)方法是比較理想的方案。

圖1 “一滴血”紀(jì)念碑現(xiàn)狀

逆向工程(reverse engineering，RE)技術(shù)是指在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整，以及沒有CAD模型的情況下，對(duì)產(chǎn)品(或零件)的實(shí)物進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)處理，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出實(shí)體的CAD模型的過程。逆向工程中為了獲得物體表面數(shù)據(jù)，測(cè)量方式分為兩種:一種是接觸式測(cè)量;另一種是非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量一般測(cè)量精度高，但是數(shù)據(jù)獲取效率低;非接觸式測(cè)量則恰恰相反。但是近年來隨著三維激光掃描儀的問世，這種測(cè)量方式已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)制造、船舶設(shè)計(jì)、文物保護(hù)、災(zāi)害評(píng)估等。它的特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、速度快、測(cè)量簡(jiǎn)便。目前三維激光掃描儀包含兩種類型的產(chǎn)品，即脈沖式與相位式。一般來說，脈沖式掃描儀距離長(zhǎng)、速度慢;相位式掃描儀距離短、速度快。兩者各有利弊，所以可以根據(jù)各自工程的特點(diǎn)選擇不同型號(hào)的儀器。

二、逆向工程體系結(jié)構(gòu)

1.數(shù)據(jù)采集

針對(duì)“一滴血”紀(jì)念碑的大小、高度，考慮到測(cè)量速度、采樣密度、測(cè)量精度、時(shí)間及穩(wěn)定性等方面的因素，本次掃描選用了Lecia相位式HDS6100超高速三維激光掃描儀，掃描速度為50.8千點(diǎn)/秒，最遠(yuǎn)測(cè)程為79 m。這款設(shè)備掃描精度高，噪音點(diǎn)少，在90%發(fā)射率條件下，25 m處測(cè)量數(shù)據(jù)建模后精度可達(dá)±1 mm;在18%反射率條件下，25 m處測(cè)量數(shù)據(jù)建模后精度為±2 mm，完全可以滿足本次重建工作的精度要求。Leica HDS6100內(nèi)置了操控面板、電池和硬盤，是一款完全一體化的儀器，無需連接任何外部設(shè)備就可以完成掃描作業(yè)，內(nèi)置的電池可以連續(xù)工作2.5 h，標(biāo)配的兩塊電池可以進(jìn)行5 h的連續(xù)作業(yè)。這樣使得外業(yè)的數(shù)據(jù)采集變得尤為簡(jiǎn)單和方便，此次數(shù)據(jù)掃描，只攜帶了掃描儀主機(jī)(內(nèi)置充滿電的電池)和一個(gè)三腳架。因?yàn)長(zhǎng)eica三維激光掃描儀后處理軟件Cyclone在進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接時(shí)非常靈活，支持特征點(diǎn)和點(diǎn)云匹配拼接，所以本次掃描不需要攜帶標(biāo)靶和進(jìn)行標(biāo)靶掃描。

(1)掃描站點(diǎn)布設(shè)

三維激光掃描儀采用的是自由架站，只要地面堅(jiān)硬穩(wěn)固即可。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的仔細(xì)勘察，根據(jù)紀(jì)念碑的外形特征，為了采集比較完整的數(shù)據(jù)，本次掃描共布設(shè)了7站，位置如圖2所示。其中掃描站1位于紀(jì)念碑下方正中心位置，掃描站2至掃描站7分別位于紀(jì)念碑四周。這樣確保了“一滴血”紀(jì)念碑重要特征和輪廓的完整采集。

圖2 掃描站點(diǎn)設(shè)置

(2)掃描參數(shù)設(shè)置

“一滴血”紀(jì)念碑高度為17 m，掃描儀距離紀(jì)念碑的最遠(yuǎn)直線距離約30 m，最近距離約5 m。因此采用了“High”模式的掃描分辨率(15 m處點(diǎn)間隔9 mm)進(jìn)行了全景(水平360°×垂直310°)掃描，掃描儀很快完成全景掃描工作，而且完整采集到周邊平臺(tái)、臺(tái)階、欄桿以及樹木等特征，方便了后續(xù)的數(shù)據(jù)拼接以及新雕塑的安裝定位。掃描儀參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

每站的數(shù)據(jù)掃描時(shí)間約3 min 15 s，因此包括架站及遷移時(shí)間，7站掃描總共約1 h就完成了本次數(shù)據(jù)采集任務(wù)。單站掃描數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 掃描儀參數(shù)設(shè)置

圖4 單站掃描數(shù)據(jù)

(3)數(shù)據(jù)拼接

數(shù)據(jù)采集完成后，經(jīng)過下載從掃描儀內(nèi)置硬盤復(fù)制到計(jì)算機(jī)中，然后使用Cyclone軟件加載。此時(shí)每一站數(shù)據(jù)都使用的是各自獨(dú)立的相對(duì)坐標(biāo)系，為了將所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，即將其中任意一站的坐標(biāo)系設(shè)為母站，其他測(cè)站的數(shù)據(jù)都以此站為基準(zhǔn)，進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)。

式中，Δx0、Δy0、Δz0為3個(gè)平移參數(shù);ωx、ωy、ωz為3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

從式中可以看到，兩站之間進(jìn)行拼接至少需要選取3個(gè)公共特征點(diǎn)。為了有多余觀測(cè)，查看拼接精度，最好選4個(gè)公共特征點(diǎn)。此外為了提高拼接的精度，選取的公共特征點(diǎn)要分布均勻，距離不要太近。

數(shù)據(jù)拼接是三維激光掃描數(shù)據(jù)后處理中非常重要的一步，數(shù)據(jù)拼接的精度直接影響到建模以及各種線、面、體數(shù)據(jù)的精度。Leica Cyclone軟件中提供了多種靈活的拼接方法，控制點(diǎn)拼接、標(biāo)靶拼接、點(diǎn)云拼接，并且相互之間可以補(bǔ)充，即當(dāng)標(biāo)靶約束不夠時(shí)可以用點(diǎn)云約束做補(bǔ)充，點(diǎn)云約束有困難時(shí)也可以添加標(biāo)靶約束。本紀(jì)念碑掃描的數(shù)據(jù)采用脫機(jī)掃描，并且掃描距離可靠，站位布設(shè)合理，點(diǎn)云質(zhì)量好，重合區(qū)域充分，因此采用了點(diǎn)云約束的方式進(jìn)行拼接。

在Cyclone軟件中有直觀的數(shù)據(jù)交互拼接和檢查工具，并可以提供拼接誤差分析報(bào)告，供數(shù)據(jù)處理參考和調(diào)整。如圖5所示，7站掃描數(shù)據(jù)拼接中，最大的拼接誤差為8 mm，最小拼接誤差為0 mm，精度可以滿足本紀(jì)念碑重構(gòu)的需要。點(diǎn)云拼接結(jié)果如圖6所示。

圖5 點(diǎn)云拼接和檢查

圖6 點(diǎn)云拼接結(jié)果

2.面重構(gòu)

(1)點(diǎn)云預(yù)處理

曲面重構(gòu)是將離散的測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)成連續(xù)變化的曲面的過程。目前，逆向工程非接觸式測(cè)量方式的一個(gè)最大缺陷就是數(shù)據(jù)量非常龐大，并且常常帶有許多雜點(diǎn)、噪音點(diǎn)，影響后續(xù)的模型建立以及曲線、曲面數(shù)據(jù)的提取。因此需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪以及對(duì)模型進(jìn)行檢查修復(fù)等處理，處理工作流程大致如圖7所示。

圖7

本次工程曲面重構(gòu)用到的軟件為Geomagic Studio，它是全球四大逆向工程軟件之一，也是目前市場(chǎng)上對(duì)點(diǎn)云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強(qiáng)大的軟件?？梢暂p而易舉地根據(jù)掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為NURBS曲面。

該軟件支持手動(dòng)選擇噪音點(diǎn)刪除，也可以設(shè)置合適的參數(shù)使軟件自動(dòng)選擇噪音點(diǎn)并刪除，如圖8所示。如果利用軟件自動(dòng)刪除，此過程可以多進(jìn)行幾次，直到選擇的噪音點(diǎn)很少為止。

(2)三維曲面構(gòu)建

三維曲面構(gòu)建是Geomagic Studio的強(qiáng)大功能之一，軟件可以自動(dòng)完成點(diǎn)到三角面片的轉(zhuǎn)換(即封裝)。封裝完成后可以對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、修復(fù)，并且可以根據(jù)周圍模型的曲率對(duì)掃描盲區(qū)進(jìn)行填充。軟件支持對(duì)三角網(wǎng)的編輯修改，如松弛、光順、雕刻、銳化、去除特征、創(chuàng)建特征等操作，以便最大限度地與實(shí)際物體相吻合，如圖9所示。

圖8 軟件自動(dòng)選取噪音點(diǎn)

圖9 生成的模型狀

(3)特征提取

為了獲取“一滴血”紀(jì)念碑較完整的細(xì)部特征，筆者采用了高密度的掃描模式，因此數(shù)據(jù)量比較大?？紤]到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力及效率，對(duì)模型進(jìn)行了分塊處理。通過設(shè)置曲率敏感度，軟件自動(dòng)根據(jù)模型的曲率變化提取出線條，生成輪廓線，如圖10所示。

圖10 生成的輪廓線

圖11 完整輪廓線

將其余部分模型也生成輪廓線，并將其合并，得到整體的輪廓線，如圖11所示。

3.CAD模型建立

因?yàn)楸炯o(jì)念碑相關(guān)的數(shù)據(jù)要提供給機(jī)械加工工廠，并要實(shí)現(xiàn)三維的分解及裝配，因此要通過提取的輪廓線，利用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Autodesk Inventor完成了最終三維模型的構(gòu)造，如圖12所示。

圖12 完整三維模型

三、結(jié)束語

逆向工程為生產(chǎn)加工制造提供了新思路，三維激光掃描技術(shù)為逆向工程提供了新的解決方案。正是因?yàn)槭褂昧诉@種新技術(shù)才能在時(shí)間緊、任務(wù)重、精度要求高的情況下高質(zhì)量地完成本次數(shù)據(jù)采集任務(wù)，這是傳統(tǒng)的測(cè)繪手段所無法企及的。使用Lecia HDS6100三維激光掃描儀的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:

1)工作效率顯著提高，從采集數(shù)據(jù)到成果提交僅用了不到兩周的時(shí)間。

2)大大減少了外業(yè)工作量，三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)快，信息量大，在短時(shí)間內(nèi)采集到完整的數(shù)據(jù)后，剩下的工作可以在計(jì)算機(jī)中完成。

3)數(shù)據(jù)更完善、翔實(shí)、精準(zhǔn)，可以體現(xiàn)紀(jì)念碑雕塑的整體形狀和局部細(xì)節(jié)。

4)測(cè)繪簡(jiǎn)單，無需過多的人工參與，儀器可自動(dòng)完成掃描任務(wù)。

5)非接觸測(cè)量，避免了對(duì)紀(jì)念碑雕塑的二次破壞。

6)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)繪手段無法操作或記錄對(duì)象的測(cè)繪。

7)實(shí)現(xiàn)了紀(jì)念碑雕塑在計(jì)算機(jī)中的真實(shí)再現(xiàn)和永久保存。

［1］ 中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì).中國(guó)測(cè)繪學(xué)科發(fā)展藍(lán)皮書［M］.北京:測(cè)繪出版社，2007.

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2011-05-23

劉麗惠(1981—)，女，山西洪洞人，助理工程師，主要從事三維激光掃描技術(shù)研究工作。

(本專欄由則泰集團(tuán)和本刊編輯部共同主辦)