司圣志

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

油泥模型車點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理方法淺析

司圣志

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

油泥模型是汽車造型設(shè)計(jì)必不可少一種手段，它是設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)從二維效果圖到真實(shí)模型的方法，油泥模型掃描結(jié)果的好壞直接影響到后期B面和A面制作的效果。文章在逆向工程設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，就油泥模型外觀的特性和技術(shù)要求，使用非接觸式的掃描方法掃描油泥模型。由于實(shí)際掃描過程中受到各種人為或隨機(jī)因素的影響，使得掃描結(jié)果包含噪聲點(diǎn)大量的冗余數(shù)據(jù)，這樣就不利于后續(xù)的油泥模型的B面和A面制作工作。文章針對(duì)激光三維掃描方法得到的油泥模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用了快速、有效地處理技術(shù)。在最大程度上獲得了較好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果，為后續(xù)的曲線曲面重構(gòu)工作做出了理想的處理過程。

油泥模型；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；逆向工程

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.057

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-166-04

引言

油泥模型的設(shè)計(jì)與制作在汽車造型設(shè)計(jì)中起著承前啟后的關(guān)鍵性作用。油泥模型的應(yīng)用，一方面，它是連接設(shè)計(jì)與工程的媒介，即將二維的平面視圖、效果圖轉(zhuǎn)化為真實(shí)的三維實(shí)物，能夠有效的彌補(bǔ)平面表達(dá)中不能解決的許多空間問題，使設(shè)計(jì)對(duì)象更直觀、更具體。另一方面，技術(shù)人員將借助油泥模型對(duì)汽車造型的空間尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描并應(yīng)用于汽車模具生產(chǎn)、加工。

實(shí)現(xiàn)逆向工程中的兩個(gè)必須的步驟是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)后續(xù)處理。其中數(shù)據(jù)采集和處理的完成質(zhì)量直接影響到所建幾何模型的質(zhì)量。在數(shù)據(jù)采集過程中，我們采用ATOS光柵式掃描儀獲得油泥模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。但在實(shí)際采集過程中，由于環(huán)境的影響，在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)中往往含有大量的噪聲點(diǎn)，如果這些數(shù)據(jù)不加處理而直接用來擬合曲線曲面，其造型的質(zhì)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際工程的要求，也就沒有實(shí)際意義，因此必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1、油泥模型激光三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

目前我國(guó)汽車工業(yè)中,車型以及許多關(guān)鍵零部件都是直接進(jìn)口模具，沒有設(shè)計(jì)資料。而整個(gè)汽車工業(yè)的國(guó)產(chǎn)化又非常重要，其中汽車覆蓋件也屬于這種情況，都是在實(shí)際模型或油泥模型上不斷加以修改，最終形成產(chǎn)品模具。國(guó)內(nèi)很多人在做這方面的工作。激光三維掃描系統(tǒng)可以很好完成逆向工程的數(shù)據(jù)獲取需要,為后面的快速成型、CAM等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我們利用ATOS光柵式掃描儀，對(duì)油泥模型進(jìn)行激光三維掃描，所獲得的油泥模型“點(diǎn)云”如（圖1）所示。三維掃描軟件導(dǎo)出IGS格式的三維數(shù)據(jù)文件，為后續(xù)的“點(diǎn)云”處理、曲面建模、實(shí)體生成等提供基礎(chǔ)。

在激光三維掃描過程中，我們獲得了初步的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于在實(shí)際掃描過程中，存在遮擋、模型特性以及步進(jìn)振動(dòng)等問題。如（圖1）所示我們可以發(fā)現(xiàn)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、表面點(diǎn)陣有重點(diǎn)和噪聲點(diǎn)等問題。這對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲面重構(gòu)帶來極大的不便，因此需要通過噪聲點(diǎn)刪除、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精減、點(diǎn)云平光順等這些后續(xù)工作獲得較好的、完整的“點(diǎn)云”。

圖1 油泥模型點(diǎn)云

2、油泥模型點(diǎn)云的處理

在我們對(duì)油泥模型進(jìn)行激光三維掃描過程中，由于實(shí)際掃描過程中受到各種人為或隨機(jī)因素的影響。經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)掃描結(jié)果包含噪聲，并且數(shù)據(jù)間缺乏明顯的拓?fù)潢P(guān)系，這些會(huì)給后續(xù)的曲面重構(gòu)帶來很大的麻煩。

因此必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一般需要對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，在處理過程中，必須注意檢查數(shù)據(jù)的完整性及數(shù)據(jù)的一致性，對(duì)其中的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行去除，對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，常見的數(shù)據(jù)處理方法為：噪聲點(diǎn)刪除、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、點(diǎn)云光順、點(diǎn)云拼合。

2.1 噪聲點(diǎn)的刪除

在任何的一種曲線曲面構(gòu)造過程中噪聲點(diǎn)的危害很大，有時(shí)會(huì)因?yàn)樵肼朁c(diǎn)的影響而使整個(gè)構(gòu)造算法失敗。而在本次對(duì)油泥模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中，噪聲點(diǎn)的引入是不可避免的，因此必須進(jìn)行噪聲點(diǎn)的刪除。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在本次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，有1% ～3%的噪聲點(diǎn)要予以去除。目前噪聲點(diǎn)的去除方法如下：

2.1.1 直接法刪除

對(duì)明顯的異常點(diǎn)和雜點(diǎn)，可通過肉眼判別，并用人機(jī)交互的方式直接刪除。

2.1.2 曲線檢查法刪除

通過截面的首末數(shù)據(jù)點(diǎn)，用最小二乘法擬合得到一條樣條曲線，曲線的階次可根據(jù)曲面截面的形狀決定，通常為3～4 階，然后分別計(jì)算中間數(shù)據(jù)點(diǎn)pi到樣條曲線的距離‖e‖，如果‖e‖E≥[ε]（[ε]為給定的允差) ，則認(rèn)為pi 是壞點(diǎn)，應(yīng)予以剔除如（圖2）。

2.1.3 弦高差方法刪除

連接檢查點(diǎn)的前后2 點(diǎn)，計(jì)算中間數(shù)據(jù)點(diǎn)pi 到弦的距離‖e‖，如果‖e‖E ≥[ε]（[ε]為給定的允差）， 則認(rèn)為pi 是壞點(diǎn)，應(yīng)予以剔除。這種方法適合于測(cè)量點(diǎn)均勻且較密集的場(chǎng)合，特別是在曲率變化較大的位置如（圖3）。

圖2 曲線檢查法

圖3 弦高差方法

2.1.4 高斯、平均或中值濾波算法刪除

高斯濾波器在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時(shí)能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌。平均濾波器采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均值。而中值濾波器采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)中值，這種濾波器消除數(shù)據(jù)毛刺效果較好。

油泥模型主要使用了（1）、（4）第方法刪除噪聲點(diǎn)如（圖4）所示。

圖 4 刪除噪聲點(diǎn)后的模型點(diǎn)云

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

在本次的掃描中，對(duì)油泥模型進(jìn)行激光三維掃描的數(shù)據(jù)獲取速度快，單次掃描能獲得上萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此所獲得的掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)群密度很大，存儲(chǔ)處理與顯示都消耗了大量的時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源，并且影響到后續(xù)曲面構(gòu)造的光順性。因而提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中反映曲面形狀的點(diǎn)，去除大量冗余數(shù)據(jù)點(diǎn)。即對(duì)大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)處理也是逆向工程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于掃描線點(diǎn)云，其中使用較常見的有取樣法、弦高偏移法、非均勻網(wǎng)格法等。

2.2.1 均勻取樣法

均勻取樣法是根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的存儲(chǔ)順序，每隔（m-1）個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，其他的數(shù)據(jù)點(diǎn)都被忽略，這里的m成為間隔（采樣率）。當(dāng)均勻采樣法應(yīng)用于有序數(shù)據(jù)（如掃描數(shù)據(jù)）時(shí)，便成為等間距采樣法；而應(yīng)用于非有序數(shù)據(jù)時(shí)，由于數(shù)據(jù)排列的無規(guī)律性模擬了均勻采樣的隨機(jī)性，因而稱為隨機(jī)采樣法。它僅適合于實(shí)體是平面或接近于平面的情況下使用，缺點(diǎn)是很容易丟失邊界特征及曲率變化較大區(qū)域的信息。

2.2.2 弦高偏移法

根據(jù)抽樣定理，抽樣點(diǎn)的疏密應(yīng)隨曲面曲率的變化而變化，曲率越大抽樣點(diǎn)越密。針對(duì)實(shí)際情況，由于激光掃描獲取的實(shí)物基本上是凸殼的，或者是多個(gè)凸殼的并集，而且掃描的數(shù)據(jù)是一條條的數(shù)據(jù)線，可以用基于弦值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的線壓縮。這種方法在選點(diǎn)時(shí)由兩個(gè)參數(shù)決定，一個(gè)是最大偏移距離，另一個(gè)是已經(jīng)保留的點(diǎn)與下一個(gè)保留點(diǎn)的兩點(diǎn)之間的距離。因?yàn)橄抑档母叩透视忻芮嘘P(guān)系，這種篩選數(shù)據(jù)點(diǎn)的辦法對(duì)于凸殼數(shù)據(jù)具有比較明顯的篩選效果。弦高偏移法能根據(jù)法矢的變化情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，這是比均勻取樣法優(yōu)勝的地方。它可以滿足計(jì)算效率較高，曲率變化較大區(qū)域的數(shù)據(jù)精度。缺點(diǎn)是對(duì)于曲率變化較小且較平滑區(qū)域的精度不能得到很好的保證。

2.2.3 非均勻網(wǎng)格法

非均勻網(wǎng)格方法，分為單項(xiàng)非均勻網(wǎng)格方法和雙向非均勻網(wǎng)格方法。在單向非均勻網(wǎng)格方法中，采用角度偏差方法從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取特征點(diǎn)。角度反映了曲率信息，角度小的地方曲率也小，反之，曲率也大。通過這些角度，提取曲率較大處的點(diǎn)。雙向非均勻網(wǎng)格方法通過計(jì)算每一個(gè)點(diǎn)的法向向量，并以這一信息為基礎(chǔ)來進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化。使用鄰近三角形的法向向量來確定某一點(diǎn)的法向向量,計(jì)算所有點(diǎn)的法向向量后，就生成了網(wǎng)格平面。網(wǎng)格的最小尺寸根據(jù)零件形狀的復(fù)雜程度而變化，網(wǎng)格規(guī)劃完成以后，采用中值濾波的方法從每個(gè)網(wǎng)格中選取一個(gè)代表點(diǎn)。這種雙向方法與單向方法相比，將從點(diǎn)云中提取更多的點(diǎn)，它將更精確地反映零件的形狀。

在完成噪聲點(diǎn)刪除步驟后，采用非均勻網(wǎng)格法中的雙向非均勻網(wǎng)格方法和弦高偏移法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理，如（圖5）所示。

圖5 精簡(jiǎn)后的模型點(diǎn)云

經(jīng)檢驗(yàn)表明，利用非均勻網(wǎng)格法可以獲得理想的精簡(jiǎn)結(jié)果，結(jié)果如（表1）所示。

表1

2.3 點(diǎn)云光順

為了降低或消除油泥模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)中噪聲對(duì)后續(xù)汽車覆蓋件建模質(zhì)量的影響，有必要對(duì)精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行光順濾波。

一般而言，在掃描過程中時(shí)，由于種種原因，會(huì)造成噪聲點(diǎn),可選用多種濾波，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行光順處理，提高整個(gè)點(diǎn)云的質(zhì)量。根據(jù)點(diǎn)云的特點(diǎn)采用合適的光順方法，盡量保持點(diǎn)云的輪廓原狀。數(shù)據(jù)光順通常采用標(biāo)準(zhǔn)高斯、平均或中值濾波算法，濾波效果如（圖6）所示。

圖6

2.3.1 高斯算法

高斯濾波器在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時(shí)能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌。

2.3.2 平均算法

平均濾波器是利用濾波窗口內(nèi)各采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均值來代替當(dāng)前點(diǎn)。二維圖像中的中值濾波器是查找采樣點(diǎn)的值，取濾波窗口灰度值序列中間的那個(gè)灰度值為中值，用它來代替窗口中心所對(duì)應(yīng)象素的灰度。

2.3.3 中值算法

中值濾波是一種有效的非線性濾波，常用于消除隨機(jī)脈沖噪聲。

根據(jù)精簡(jiǎn)后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本文采用高斯濾波器對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)做光順處理。處理后的效果圖如（圖7）所示，由圖可以看出，該方法不僅有效的對(duì)數(shù)據(jù)做出了光順處理，而且在濾波的同時(shí)最大程度上保持了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輪廓原貌。

圖 7 平滑處理后的模型數(shù)據(jù)

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合對(duì)齊

為完成對(duì)整個(gè)油泥模型的非接觸三維掃描，需要對(duì)油泥模型從各個(gè)視角分5塊進(jìn)行掃描。由于在掃描不同區(qū)域時(shí)，都是在掃描位置對(duì)應(yīng)的默認(rèn)設(shè)備坐標(biāo)系下進(jìn)行的，因此多次掃描所對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系并不一致，所以必須把各次掃描對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除相鄰2次掃描間的重疊部分，以得到被測(cè)物體表面的完整數(shù)據(jù)。

需要將分塊掃描所得到的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合在一起，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊，其處理方法有2 種：

2.4.1 專用的測(cè)量裝置

通過專用的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊，它要求設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)工件移動(dòng)轉(zhuǎn)換平臺(tái)，用來直接記錄工件在掃描過程的移動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.4.2 專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件

用專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件（Imageware）實(shí)現(xiàn)多片塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)原型的再構(gòu)，這是現(xiàn)在非接觸三維掃描最常用的多片塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合對(duì)齊方法。分塊掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)常可看作是一個(gè)剛體。數(shù)據(jù)對(duì)齊可以歸結(jié)為三維剛體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，即根據(jù)一些預(yù)先指定的最佳匹配規(guī)則，通過坐標(biāo)變換，把部分重疊的兩片點(diǎn)云最優(yōu)地對(duì)齊如（圖8）。

圖8

3、總結(jié)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理是逆向設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，使處理后的數(shù)據(jù)減少計(jì)算復(fù)雜性，提高效率，保證重建曲面的精度，使點(diǎn)云密度隨著曲面曲率的變化而變化是未來逆向設(shè)計(jì)中點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的發(fā)展趨勢(shì)；選擇合理的方法對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)于保證曲面模型的重建精度和提高數(shù)據(jù)處理效率至關(guān)重要。針對(duì)激光三維掃描方法得到的油泥模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們采用了噪聲點(diǎn)刪除、精簡(jiǎn)、光順、拼合對(duì)齊等快速、有效的點(diǎn)云處理技術(shù)，從而在最大的程度上獲得了較好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果，為后續(xù)的曲線曲面創(chuàng)建提供基礎(chǔ)。

[1] 劉之生.反求工程技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2] 羅大兵,高明逆.向工程中數(shù)字化測(cè)量與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理.機(jī)械與制造,2005.

[3] 周力輝.汽車油泥模型設(shè)計(jì)制作.北京:清華大學(xué)出版社, 2006.

Clay model car postprocessing method of point cloud data

Si Shengzhi
(Anhui jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601)

Clay model is essential to A kind of automobile modeling design method, it is designers from 2 d rendering to the real model, the method of scanning result is good or bad directly affect the clay model B surface and A surface post-production effect. Reverse engineering design is presented in this paper, under the guidance of clay model appearance features and technical requirements, using non-contact scanning methods of scanning clay model. Because the actual scanning process influenced by all kinds of man-made or random factors, makes the scan results A lot of redundant data containing noise point, which is not conducive to the follow-up of clay model B side and making A face. Laser 3 d scanning method, this paper get the clay model of point cloud data, using the rapid and effective processing technology. In the largest extent, the good point cloud data obtained as a result, the work for the follow-up of curve surface reconstruction has made the ideal process.

Clay model; Point cloud data; Contrary engineering

U466

A

1671-7988 (2016)12-166-04

司圣志，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。