，,,

(1.吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 吉安 343000； 2.井岡山大學(xué)，江西 吉安 343009；3.吉安市瑞鵬飛精密科技有限公司，江西 吉安 343100)

0 引言

三維掃描系統(tǒng)是集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的新型掃描系統(tǒng)，它主要用于空間物體外形、結(jié)構(gòu)及色彩的掃描，將物體立體信息變換為可以利用計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行處理的信號(hào)，獲得物體空間表面坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)物體的三維掃描[1]。汽車殼體三維掃描系統(tǒng)對汽車殼體進(jìn)行掃描，通過重構(gòu)汽車殼體模型，對汽車殼體曲面進(jìn)行制造，或?qū)ζ嚉んw曲面損傷進(jìn)行修復(fù)，為專業(yè)的汽車制造維修人員提供極大幫助[2]?，F(xiàn)有的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)采用激光技術(shù)，對汽車殼體曲面進(jìn)行掃描。該系統(tǒng)操作技術(shù)單一，在殼體曲面掃描點(diǎn)的自校準(zhǔn)過程中，校準(zhǔn)精度不高，導(dǎo)致掃描效果不理想，且掃描速度較慢，致使汽車殼體曲面的三維掃描精度較低，不能滿足三維掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求[3]。逆向工程技術(shù)以物體的形狀、表層數(shù)據(jù)點(diǎn)等為研究對象，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度捕捉等處理，提高三維掃描系統(tǒng)的性能[4]。為改進(jìn)傳統(tǒng)三維掃描系統(tǒng)，提出基于逆向工程技術(shù)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。先對系統(tǒng)硬件進(jìn)行改進(jìn)，引入逆向工程技術(shù)對系統(tǒng)軟件進(jìn)行優(yōu)化，完成系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)捕捉效率高、掃描速度快、殼體曲面掃描精度高。

1 硬件設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)，采用逆向工程技術(shù)，先對汽車殼體三維掃描系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行改進(jìn)。系統(tǒng)硬件部分主要由激光線光源、攝像機(jī)、數(shù)據(jù)捕捉卡等設(shè)備組成[5-6]。各部件協(xié)同配合，完成汽車殼體數(shù)據(jù)的捕捉，這也是基于逆向工程技術(shù)汽車殼體三維掃描系統(tǒng)硬件部分的主要功能。對各部件進(jìn)行優(yōu)化，可有效提高汽車殼體數(shù)據(jù)的捕捉效率。具體優(yōu)化過程描述如下：

基于逆向工程技術(shù)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖

分析圖1可知，被掃描的汽車殼體放在轉(zhuǎn)臺(tái)上，由微機(jī)發(fā)出控制的信號(hào)，來控制伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)臺(tái)，并以已經(jīng)設(shè)置好的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，相機(jī)以25幀/s的速度對汽車殼體進(jìn)行拍攝，將拍攝的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)捕捉卡傳輸至計(jì)算機(jī)，并以AVI的格式保存在硬盤中，記作掃描數(shù)據(jù)文件[7]。

其中，每個(gè)數(shù)據(jù)大小均為row行和col列，并且相鄰捕捉數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為TF=1/25=0.04 s。此時(shí)汽車殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)角：θF=ωTF。選取相機(jī)幀同步的信號(hào)作為同步信號(hào)，此時(shí)微機(jī)利用控制接口板，來控制線光源中的光閥關(guān)閉和開啟，其頻率為25 Hz，和相機(jī)同步。因?yàn)楣忾y的作用，使激光線間斷地射在汽車殼體上，于掃描數(shù)據(jù)文件內(nèi)，出現(xiàn)一幀激光照射，以及一幀沒有激光照射的狀況。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω足夠小時(shí)，相鄰的兩幀能夠認(rèn)為是對汽車殼體同一位置拍攝的圖像，并將所有圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)。而不同之處就是一幅圖像經(jīng)過了激光的照射，被稱為L圖，則另一幅無激光照射的圖像被稱為N圖，則對應(yīng)的數(shù)據(jù)也進(jìn)行L，N的相應(yīng)標(biāo)記。假設(shè)要求極角方向的采樣間隔是θs(θs>2θF)，針對每個(gè)極角方向的采樣位置φ=kθs，其中k代表極角方向的采樣序號(hào)。對于每個(gè)極角方向的采樣位置均有一對N圖和L圖，將其記作Lk和Nk。當(dāng)汽車殼體旋轉(zhuǎn)一周之后，汽車殼體數(shù)據(jù)捕捉完畢，這種非接觸式的汽車殼體數(shù)據(jù)捕捉方式，可提高數(shù)據(jù)捕捉的效率。

綜上所述，對激光線光源、攝像機(jī)、數(shù)據(jù)捕捉卡等設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，完善其功能模塊，實(shí)現(xiàn)汽車殼體數(shù)據(jù)的捕捉，完成基于逆向工程技術(shù)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)硬件部分的改進(jìn)，為系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。

2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述硬件部分捕捉到的汽車殼體數(shù)據(jù)，對基于逆向工程技術(shù)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件的主要功能是車殼掃描點(diǎn)的自校準(zhǔn)和汽車殼體曲面的三位掃描。對車殼掃描點(diǎn)進(jìn)行自校準(zhǔn)，可提高掃描準(zhǔn)確度，使三維掃描速度更快。對汽車殼體曲面進(jìn)行三維掃描，使殼體曲面掃描精度明顯提升。具體描述過程如下：

2.1 車殼掃描點(diǎn)的自校準(zhǔn)

依據(jù)弦選擇的方法不同，這里有兩種方法來對應(yīng)兩種不同判斷準(zhǔn)則：

經(jīng)過上述掃描點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果，利用小波閾值校準(zhǔn)法實(shí)現(xiàn)車殼掃描點(diǎn)的自校準(zhǔn)[9]。主要過程為：將車殼曲面圖像于各個(gè)尺度實(shí)現(xiàn)小波分解，并將大尺度低分辨率的所有小波系數(shù)保留；對于保留的系數(shù)，為其設(shè)置一個(gè)閾值，以提升校準(zhǔn)效果。其中，幅值比該閾值低的小波系數(shù)記為0，否則保留；把處理之后得到的小波系數(shù)通過逆小波變換實(shí)現(xiàn)重構(gòu)獲得校準(zhǔn)之后的掃描點(diǎn)。其中閾值的處理方法有以下兩種：

硬閾值處理法：

(1)

軟閾值處理法：

(2)

在捕捉到的數(shù)據(jù)中，包含了大量冗余數(shù)據(jù)，這為后續(xù)的汽車殼體三維掃描帶來了不便[9]。由此要對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。這里采用Splitting數(shù)據(jù)壓縮法對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。

在數(shù)據(jù)壓縮過程中，將獲得的汽車殼體表面上的三維空間點(diǎn)集判定是經(jīng)線方向上的三維空間曲線數(shù)據(jù)集{VLi,i=1,2,…HN}，分別對每條曲線VLi根據(jù)Splitting法得到曲線上所有保留點(diǎn)，進(jìn)而獲得表面壓縮之后的點(diǎn)集VP，這是經(jīng)線方向上的數(shù)據(jù)壓縮。給出緯線方向的數(shù)據(jù)壓縮圖，如圖2所示。

圖2 經(jīng)緯方向數(shù)據(jù)壓縮圖

2.2 汽車殼體曲面三維掃描的實(shí)現(xiàn)

引進(jìn)逆向工程技術(shù)，對汽車殼體曲面進(jìn)行三維掃描。先將曲面進(jìn)行分塊，然后再將曲面進(jìn)行擬合及曲面的拼接，實(shí)現(xiàn)車殼表面的掃描。

該節(jié)利用曲面分塊的原則，將車殼劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前風(fēng)窗、頂蓋、后風(fēng)窗、行李箱蓋、左側(cè)玻璃窗、右側(cè)玻璃窗、左側(cè)邊板、右側(cè)邊板、尾板。給出根據(jù)1中數(shù)據(jù)捕捉和2.1中圖像處理之后的汽車殼體曲面分塊結(jié)果，如圖3所示。

通過分塊結(jié)果，利用Pro/Scan-tools曲面三維掃描法對車殼進(jìn)行曲面掃描，并生成光滑曲線或者曲面，主要的過程為：

在Pro/Scan-tools主菜單[File]/[New]內(nèi)新建實(shí)體零件，選取主菜單中的[Application]/[Scantools]，進(jìn)入三維掃描模式。三維掃描模式中包含了從測量點(diǎn)產(chǎn)生曲面的工具[10]。該模式下的曲面擬合大體分為下列步驟：

1)通過輸入的車殼數(shù)據(jù)點(diǎn)來生成三維掃描曲線：(1)指定數(shù)據(jù)點(diǎn)密度。“.ibl”文件中輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度選為低密度模式，假設(shè)輸入為高密度數(shù)據(jù)，那么在輸入之后需要三維掃描過濾；(2)建立坐標(biāo)系；(3)為系統(tǒng)指定三維掃描的數(shù)據(jù)文件。在讀入數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)就會(huì)生成三維掃描的曲線，且以三維的形式顯示出來。

2)利用三維掃描曲線產(chǎn)生型值曲線。生成三維掃描曲線后，對光滑的曲線進(jìn)行創(chuàng)建，也就是型值曲線。Pro/Scan-tools中提供了多項(xiàng)工具可用來擬合掃描數(shù)據(jù)而生成型值曲線，得到型值曲線的目的是生成型值曲面[10]。其中型值曲線的生成方法為：系統(tǒng)在每條經(jīng)過掃描的曲線上自動(dòng)地選擇給定的掃描點(diǎn)，利用這些點(diǎn)來生成型值曲線。

3)型值曲面的生成。綜上利用型值曲線與三維掃描的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建型值曲面，或者作為參考曲面快照。操作型值曲面的同時(shí)，系統(tǒng)可以提供曲面的形狀以及屬性的反饋，并動(dòng)態(tài)更新曲面特征。曲面生成方法為：利用混合曲線，創(chuàng)建非參數(shù)化型值曲面且通過掃描數(shù)據(jù)來調(diào)整曲面的形狀。

經(jīng)過上述曲面的擬合后，因?yàn)椴荒車?yán)格滿足將邊界作為中心的需求，需要利用曲面拼接實(shí)現(xiàn)擬合的連續(xù)性：在上述曲面分塊時(shí)計(jì)算出理想的邊界曲線，根據(jù)邊界曲線來裁剪曲面。依據(jù)位置連續(xù)性和切線的連續(xù)性或者是曲率的連續(xù)性要求，修改相鄰曲面，以此提高曲面三維掃描精度，實(shí)現(xiàn)汽車殼體的三維掃描。

根據(jù)以上步驟，先對系統(tǒng)硬件進(jìn)行改進(jìn)，為系統(tǒng)軟件提供高效捕捉的汽車殼體數(shù)據(jù)，再對殼體掃描點(diǎn)自校準(zhǔn)、汽車殼體曲面三位掃描等軟件功能進(jìn)行優(yōu)化，完成基于逆向工程技術(shù)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于逆向工程技術(shù)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)的性能，對系統(tǒng)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在Visual Studio2015上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自于某4S店，在4S店隨機(jī)選取一輛汽車，利用改進(jìn)系統(tǒng)對其殼體進(jìn)行三維掃描。獲得該車輛的三維掃描結(jié)果如圖4所示。

圖4 汽車殼體三維掃描結(jié)果

根據(jù)圖4實(shí)驗(yàn)對象，分別對系統(tǒng)三維掃描過程中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：

1)車殼數(shù)據(jù)捕捉效率方面。車殼數(shù)據(jù)捕捉效率對后續(xù)的車殼曲面三位掃描過程有著重要的作用，是驗(yàn)證所提方法是否具有可行性的關(guān)鍵因素。

2)三維掃描校準(zhǔn)精度和掃描速度影響著重構(gòu)效果，為此需要在該方面進(jìn)行驗(yàn)證。

3)最后對于殼體曲面三維掃描精度進(jìn)行測試，殼體曲面三維掃描精度作為逆向工程技術(shù)中最為重要的一環(huán)，對后續(xù)汽車殼體曲面的重構(gòu)有著極其重要的影響。

以下對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行具體分析：

分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)對車殼數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，測試兩種系統(tǒng)的車殼數(shù)據(jù)捕捉效率，測得兩種系統(tǒng)的車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)如表1所示。

表1 車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)

分析表1并觀察車殼各項(xiàng)目的數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)可得，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對汽車殼體數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，其車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)的平均值約為16.2 s，其中在對頂蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉時(shí)，耗費(fèi)時(shí)間最長，用了35 s，數(shù)據(jù)捕捉的最小耗時(shí)為9 s。采用改進(jìn)系統(tǒng)對汽車殼體數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，汽車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)的平均值約為4.6 s，其中頂蓋數(shù)據(jù)的捕捉耗時(shí)最長，為10 s，數(shù)據(jù)捕捉的最小耗時(shí)為2 s。對比改進(jìn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)系統(tǒng)的平均車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)，近乎是傳統(tǒng)系統(tǒng)平均車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)的三分之一，改進(jìn)系統(tǒng)的最小車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)甚至不到傳統(tǒng)系統(tǒng)最小車殼數(shù)據(jù)捕捉耗時(shí)的四分之一，充分說明改進(jìn)系統(tǒng)的車殼數(shù)據(jù)捕捉效率更高。

分別對傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的掃描校準(zhǔn)精度及掃描速度進(jìn)行測試，測得兩種系統(tǒng)校準(zhǔn)信號(hào)對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種系統(tǒng)噪點(diǎn)信號(hào)對比結(jié)果

觀察圖5可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對車殼掃描點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)偏離信號(hào)分布十分密集，實(shí)驗(yàn)開始到25 s時(shí)，校準(zhǔn)偏離信號(hào)持續(xù)增加，25 s到30 s時(shí)間段，校準(zhǔn)偏離信號(hào)達(dá)到最高為85 dB，30 s后校準(zhǔn)偏離信號(hào)出現(xiàn)下降趨勢，但校準(zhǔn)偏離信號(hào)分布仍然十分緊密，致使掃描速度較慢。采用改進(jìn)系統(tǒng)對車殼掃描點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)偏離信號(hào)分布稀疏，22 s到29 s時(shí)間段，校準(zhǔn)偏離信號(hào)達(dá)到為高為160 dB，其他時(shí)間段內(nèi)，校準(zhǔn)偏離信號(hào)保持平穩(wěn)，其只有20 dB左右，掃描速度加快。對比兩種系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)偏離信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)系統(tǒng)的校準(zhǔn)偏離信號(hào)，說明改進(jìn)系統(tǒng)的車殼掃描點(diǎn)自校準(zhǔn)精度更高，掃描速度更快。

分別對傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的殼體曲面掃描精度進(jìn)行測試，測得兩種系統(tǒng)的殼體曲面掃描精度對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種系統(tǒng)殼體曲面掃描精度對比結(jié)果

由圖6可知，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)對汽車殼體曲面進(jìn)行三維掃描，得到殼體曲面三位掃描結(jié)果與實(shí)際曲面三位掃描結(jié)果進(jìn)行對比。傳統(tǒng)系統(tǒng)的曲面三維掃描曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際曲面三維掃描曲線，說明傳統(tǒng)系統(tǒng)殼體曲面掃描精度較低。改進(jìn)系統(tǒng)的曲面三維掃描曲線基本和實(shí)際曲面三維掃描曲線重合，說明其殼體曲面掃描精度較高。對比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的殼體曲面三維掃描效果，明顯看出，改進(jìn)系統(tǒng)的殼體曲面掃描更高。

綜合以上實(shí)驗(yàn)可得，優(yōu)化設(shè)計(jì)的基于逆向工程技術(shù)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)據(jù)捕捉效率高、掃描速度快、殼體曲面掃描精度高，具有較好的可行性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語

優(yōu)化設(shè)計(jì)的基于逆向工程技術(shù)的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)完全解決了傳統(tǒng)三維掃描系統(tǒng)存在的問題。通過對系統(tǒng)硬件進(jìn)行改進(jìn)，提高汽車殼體數(shù)據(jù)捕捉效率；優(yōu)化軟件部分的車殼掃描點(diǎn)自校準(zhǔn)過程和汽車殼體曲面三維掃描過程，提高了校準(zhǔn)精度、掃描速度及殼體曲面掃描精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，優(yōu)化的汽車殼體三維掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)捕捉效率高、掃描速度快、殼體曲面掃描精度高。但該系統(tǒng)仍存在一些不足之處，為了對該領(lǐng)域未來的發(fā)展產(chǎn)生積極影響，要在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究：

1)數(shù)據(jù)的處理，對于逆向工程技術(shù)中所生成的模型和實(shí)際汽車殼體還存在一定的誤差，應(yīng)該將捕捉到的數(shù)據(jù)在技術(shù)方面進(jìn)行更加嚴(yán)格的處理；

2)曲面的重構(gòu)，對于曲面的重構(gòu)目前只是在初級(jí)的實(shí)施階段，如果可以對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入推廣，可以加快曲面重構(gòu)的效率；

3)針對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，逆向工程技術(shù)中采用的軟件和數(shù)學(xué)算法不盡相同，如果將這些軟件和數(shù)學(xué)算法統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)中，能夠增強(qiáng)重構(gòu)效果。