曾月鵬

摘 要： 傳統(tǒng)逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)進行逆向工程重構(gòu)時，由于Image ware軟件無法處理數(shù)據(jù)規(guī)模較大的點云數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)點云同三維曲面的吻合度較差，工件曲面的三維重構(gòu)精度低。設(shè)計基于三維圖像的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)輸入/輸出文件格式、平滑濾波、邊緣檢測和閾值分割系統(tǒng)等軟件功能，將三維圖形進行重構(gòu)與顯示得到三維圖像的測量與輸出結(jié)果，對輸出結(jié)果進行矢量和格式轉(zhuǎn)換實現(xiàn)CAD三維建模。三維數(shù)字化尺寸檢測將三維模型的測量點云位置與物體重合，對測量點云進行旋轉(zhuǎn)和平移的操作使其能夠同三維曲面模型達到最高程度的吻合，在三維空間對三維曲面進行取樣，獲取各點法向量，將點云數(shù)據(jù)與法向量結(jié)合，實現(xiàn)工程工件曲面的三維重構(gòu)。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)可顯著提高點工件點云數(shù)據(jù)處理結(jié)果的清晰度，工件三維曲面擬合精度較高。

關(guān)鍵詞： 三維圖像； 逆向工程； 重構(gòu)系統(tǒng)； 數(shù)字化尺寸檢測； 點云數(shù)據(jù)； 曲面

中圖分類號： TN911.73?34； TP391.41 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0168?04

Abstract： As the Image ware software cannot process large?scale point cloud data， problems of poor goodness of fit between the point cloud and 3D curved surface， and low 3D reconstruction accuracy for curved surfaces of the workpiece are likely to occur during the reverse engineering construction of the traditional reverse engineering reconstruction system. Therefore， a reverse engineering reconstruction system based on 3D images is designed. 3D graphics are reconstructed and displayed by utilizing the system′s software functions such as output of input file format， smooth filtering， edge detection and threshold segmentation， so as to obtain the measurement and output results of 3D images. Vector and format conversions are conducted for the output results to achieve CAD 3D modeling. The measured point cloud location of the 3D model is overlapped with the object by utilizing the 3D digital size detection. The rotation and translation operations of the measured point cloud are conducted to enable it to achieve highest degree of goodness of fit with the 3D curved surface model. Sampling of 3D curved surfaces is conducted in 3D space to obtain the normal vector of each point. 3D reconstruction for curved surfaces of the engineering workpiece is realized by combining the point cloud data with normal vector. The experimental results show that the designed system can significantly improve the resolution for point cloud data processing results of the workpiece， and has high fitting accuracy for 3D curved surfaces of the workpiece.

Keywords： 3D image； reverse engineering； reconstruction system； digital size detection； point cloud data； curved surface

逆向工程在許多領(lǐng)域中都有著極其重要的作用，其不但能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間，也能夠檢測現(xiàn)有的產(chǎn)品、修復損壞的產(chǎn)品、檢測產(chǎn)品的實際數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)之間的誤差[1]。傳統(tǒng)基于Image ware的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)進行逆向工程重構(gòu)時，容易出現(xiàn)點云數(shù)據(jù)處理結(jié)果周圍存在大量噪聲干擾問題，導致點云同三維曲面的吻合度較差，工件曲面的三維重構(gòu)精度低。針對該問題，本文設(shè)計基于三維圖像技術(shù)的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)，提高工件曲面三維重構(gòu)精度，增強逆向工程的應用價值。

1 基于三維圖像的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)

1.1 軟件功能設(shè)計

本文設(shè)計的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)軟件由文件操作、圖像處理及圖形處理三部分組成[2]。逆向工程重構(gòu)的實現(xiàn)流程圖如圖1所示。

1） 輸入/輸出文件格式?；谌S圖像能夠瀏覽圖像文件，實現(xiàn)對三維斷層圖像文件及三維模型文件進行讀取或輸出[3]。

2） 平滑濾波。圖像平滑能夠降低圖像噪聲，均值濾波和中值濾波具有計算簡便、效率高等優(yōu)點，應用最為廣泛。

3） 邊緣檢測。邊緣檢測是在進行各種基于邊界分割法之前進行的操作[4]。其中抗噪聲干擾效果最好、定位結(jié)果最準確的是Roberts算子和Sobel算子，因為兩者都具有八方向算子模板。

4） 閾值分割。完成斷層圖像邊緣檢測操作之后，利用二值處理方法對圖像邊緣的梯度賦值進行計算，即可獲取該物體的具體邊界輪廓。該過程由直接輸入閾值法、最佳閾值法以及局部閾值法組成，同時也可以分割灰度級不相同的工件。由于邊界細化所用的是二值圖像，因此本算法也是為邊界細化打好基礎(chǔ)。

1.2 三維圖形重構(gòu)與顯示

三維圖形重構(gòu)與顯示，該功能的實現(xiàn)需同時滿足多個重疊物品的有效顯示。若未選取特定部分的ROI范圍，則輸出結(jié)果為整個物品的三維模型[5]。能夠生成和存儲三維體數(shù)據(jù)；能夠?qū)D像進行旋轉(zhuǎn)，即分割前原始灰度投影旋轉(zhuǎn)和分割后旋轉(zhuǎn)。

1.3 三維圖像測量與結(jié)果輸出

三維測量由距離測量、已確定三維模型某個特定位置的總灰度值、平均灰度值和標準差共同組成。

三維輸出是通過STL格式輸出實現(xiàn)，STL格式能夠直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇焖俪尚蜋C中，進而實現(xiàn)RE操作。除此之外，AVI（Audio Video Interleaved）格式旋轉(zhuǎn)動畫輸出也屬于三維輸出。

1.4 矢量化及格式轉(zhuǎn)換

在進行矢量化操作時可以通過人工確認其中的參數(shù)，例如是否合并輪廓線（直線或?。?、擬合輪廓線之前和之后各點的標準差參數(shù)等。這類參數(shù)決定了矢量化過程中的擬合精度[6?7]，從而提高了CAD逆向三維建模精度，降低數(shù)據(jù)處理規(guī)模。

本文系統(tǒng)所存儲的矢量化文件為DXF（Drawing Interchange and File Formats）格式，目的為方便用戶使用CAD軟件對本系統(tǒng)所輸出的圖形文件進行讀取[8]。這一過程是RE的另一種實現(xiàn)方法。雖然通過RE輸出的圖形文件與加工圖紙間還存在著許多差異，但經(jīng)過CAD軟件再次對圖形文件進行修改即可解決該問題。

2 逆向設(shè)計流程

利用3D掃描儀器對物體進行測量，得到所測物體外部輪廓空間的三維點云數(shù)據(jù)，再利用CAD軟件對3D數(shù)字模型進行重組。圖2為逆向設(shè)計工作流程圖。此流程中最為重要的部分是物理模型數(shù)據(jù)的獲取、CAD模型的建立。本文檢測物品點云數(shù)據(jù)的方式是通過TRI?TOP及ATOS相互聯(lián)合，并通過CAT?IA對CAD模型進行重建。

2.1 三維數(shù)字化尺寸檢測在逆向工程中的應用

利用逆向工程對某物品進行精準的測量并獲得所需數(shù)據(jù)，再利用計算機建立數(shù)字模型。研究人員根據(jù)所得到的結(jié)果進行篩選。

圖3為點云數(shù)據(jù)的導入，其實現(xiàn)過程是利用數(shù)字曲面編輯模塊，在CATIA中輸入點云數(shù)據(jù)（asc格式）。所得到較高品質(zhì)的點云基本上不需要再經(jīng)過CATIA軟件做刪除操作。

鑒于點云數(shù)據(jù)量龐大，需要大量存儲空間，就要通過Filter過濾器對點云數(shù)據(jù)進行篩選，僅留下被測物品所需的外貌點。利用Mesh Creation（網(wǎng)格創(chuàng)建命令）將點云網(wǎng)格化，通過觀察被網(wǎng)格化的點云得到被測物品的詳細特點。

2.2 曲面擬合重構(gòu)

逆向工程的重心是曲面擬合重構(gòu)[8]，具體包括：

1） 公差球方法的使用，小球的位置是根據(jù)界面上顯示的半徑和具體位置進行設(shè)置，過濾小球半徑范圍內(nèi)除了起始點以外的數(shù)據(jù)。

2） 弦高差方法使用了最大弦高差和任意兩點云間的最大距離，過濾某個所選區(qū)間外的數(shù)據(jù)?？梢钥s短計算運行周期。

曲面擬合重構(gòu)，即在三維空間中對曲面進行取樣，獲得許多分散開的點云數(shù)據(jù)和空間坐標值，從而獲取每個點的法向量。然后根據(jù)點云數(shù)據(jù)與法向量重建曲面，并將重建曲面與真實曲面之間的誤差降到最低[9?10]。逆向工程的重要步驟是曲面擬合重構(gòu)。

3 實驗分析

3.1 點云數(shù)據(jù)分析

用圖4表示本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)基于Image ware的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)結(jié)果。

對比分析圖4可知，采用本文系統(tǒng)處理后點云數(shù)據(jù)清晰度較高，牛奶瓶表面的擬合效果較好且點云數(shù)據(jù)周圍的噪聲干擾較少，點云數(shù)據(jù)利用率較高。綜合說明本文系統(tǒng)在進行逆向工程重構(gòu)時點云效果較好，有利于后續(xù)模型重構(gòu)工作有效進行。

3.2 曲面重構(gòu)分析

圖5為采用本文系統(tǒng)進行逆向工程重構(gòu)的汽車發(fā)電機端蓋的曲面重構(gòu)結(jié)果。圖6為對汽車發(fā)電機端蓋整體進行精度檢測的云圖。從圖5和圖6可以看出，采用本文系統(tǒng)進行逆向工程重構(gòu)得到的電機端蓋逆向模型與實際尺寸偏差結(jié)果較小。個別區(qū)域因三維圖像掃描過程中點云數(shù)據(jù)獲取有缺漏或掃描時將壞點掃描進去，造成尺寸誤差較大。但偏差最大的出現(xiàn)通常為端蓋圓孔或者是邊緣處，對電機整體功能影響較低，采用本文系統(tǒng)進行逆向工程重構(gòu)時精度較高，符合設(shè)計要求。

3.3 系統(tǒng)評價

表1和表2為專家對采用本文系統(tǒng)和基于Image ware的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)進行逆向工程重構(gòu)模型評價結(jié)果。

分析表1和表2數(shù)據(jù)可知，采用本文系統(tǒng)進行逆向工程重構(gòu)模型的評價結(jié)果較高。采用本文系統(tǒng)進行逆向工程重構(gòu)的軟件功能評價平均結(jié)果為9.2分，傳統(tǒng)系統(tǒng)的得分僅為5.6，說明采用本文系統(tǒng)進行模型重構(gòu)軟件部分功能較好；同樣從其他角度的評分結(jié)果得出，采用本文系統(tǒng)進行的逆向工程重構(gòu)模型圖像處理能力、重構(gòu)與顯示效果、尺寸檢測結(jié)果、點云數(shù)據(jù)導入以及曲面重構(gòu)效果均要優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)的模型重構(gòu)結(jié)果，本文系統(tǒng)有較強應用性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了基于三維圖像的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提高工件點云數(shù)據(jù)處理結(jié)果，增強模型重構(gòu)過程中三維數(shù)字化尺寸檢測精度，提升逆向工程應用性。

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