（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

隨著現(xiàn)代工業(yè)節(jié)奏的加快，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域上，傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)方法在很多情況下已經(jīng)無法滿足要求，而與之對(duì)應(yīng)的逆向工程技術(shù)則受到了人們重視。逆向工程又稱求反工程（Reverse Engineering），它是將實(shí)物的立體信息轉(zhuǎn)化成可用計(jì)算機(jī)直接處理的數(shù)字信號(hào)，從而建立實(shí)物的數(shù)字模型的過程［1］。逆向建模流程如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)的測(cè)量、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、曲面重構(gòu)和CAD模型的建立和修改四部分組成，其中數(shù)據(jù)的測(cè)量是逆向工程中的關(guān)鍵一步。數(shù)據(jù)的測(cè)量根據(jù)測(cè)量頭是否與被測(cè)件表面接觸分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)深悺Ｔ诜墙佑|式中，ATOS三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)作為非接觸式測(cè)量技術(shù)的代表之一，在商品化的光學(xué)測(cè)量中最為流行，其優(yōu)勢(shì)在于可迅速采集大量實(shí)物表面數(shù)據(jù)點(diǎn)并且精度很高［2］。

圖1 逆向建模流程

1 ATOS系統(tǒng)的工作原理

ATOS流動(dòng)式光學(xué)掃描儀是基于光三角、條紋投影和相位移動(dòng)等原理對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速高精度的非接觸測(cè)量。ATOS掃描系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖2所示。硬件部分主要由測(cè)量頭、連接控制器、支架、高性能電腦、電纜等輔助測(cè)量裝置組成。其中測(cè)量頭主要是由兩個(gè)CCD相機(jī)和一個(gè)光源（藍(lán)光）組成，測(cè)量頭由一個(gè)帶有六個(gè)自由度的配套支架支撐，根據(jù)測(cè)量需要可隨意轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭以便測(cè)量［3］。軟件系統(tǒng)的操作平臺(tái)為L(zhǎng)inux系統(tǒng)，ATOS系統(tǒng)自帶的GOM inspect軟件能實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量結(jié)果，且具有數(shù)據(jù)預(yù)處理功能的相關(guān)模塊。整體掃描系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖2。

圖2 ATOS掃描系統(tǒng)

測(cè)量時(shí)光源發(fā)出的光照射到被測(cè)物體表面形成漫反射，兩臺(tái)CCD相機(jī)同時(shí)接收漫反射回來的光線，由于被測(cè)物體表面存在形狀特征高低變化，CCD接收到的成像點(diǎn)所呈現(xiàn)的位置也不斷變化，根據(jù)成像點(diǎn)移動(dòng)距離的大小和傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合三角形原理，可以計(jì)算出被測(cè)件表面的空間位置。

ATOS掃描系統(tǒng)在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)被測(cè)件進(jìn)行多次多角度掃描，因此就需要系統(tǒng)識(shí)別出被測(cè)件表面的參考點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合。第一次掃描時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)識(shí)別到的參考點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，在后續(xù)的測(cè)量中，只需保證至少三個(gè)有編號(hào)的參考點(diǎn)在拍攝范圍內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)得的不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合。

由系統(tǒng)識(shí)別并匹配出的參考點(diǎn)在兩個(gè)相機(jī)相面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，計(jì)算出坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系［4］。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，以匹配三個(gè)參考點(diǎn)為例，則它們的坐標(biāo)變換關(guān)系如下表示：

通過變形整理可得：

求解上式可得r1～r3，即可求出tx、ty、tz，所以在每次拍攝時(shí)，保證至少能拍攝到三個(gè)有編號(hào)的參考點(diǎn)即可完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)參考點(diǎn)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼合。

2 異形件的曲面重構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)的測(cè)量

數(shù)據(jù)的測(cè)量是逆向工程中關(guān)鍵一步。ATOS掃描系統(tǒng)安裝好后，首先要分別對(duì)軟件和硬件進(jìn)行一次校準(zhǔn)［5］。硬件校準(zhǔn)主要是對(duì)兩臺(tái)CCD相機(jī)的光圈、焦距等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，軟件校準(zhǔn)則需要用到ATOS自帶標(biāo)定板配合軟件是兩臺(tái)相機(jī)相對(duì)空間相同點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行匹配［6］。ATOS系統(tǒng)掃描檢測(cè)被測(cè)件表面流程如圖3所示。

圖3 ATOS掃描系統(tǒng)操作流程

在對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量前首先要觀察被測(cè)物體表面的光澤度、尺寸大小等。如圖4為某型號(hào)汽車后視鏡外殼，由于表面顏色過深或存在反光現(xiàn)象，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，則需要在表面均勻噴涂顯像劑。

圖4 某型號(hào)汽車后視鏡外殼

顯像劑噴涂時(shí)需要掌握好噴嘴按壓力度、移動(dòng)速度和與被測(cè)件的距離，否則容易造成顯像劑噴涂不均勻，影響測(cè)量精度［7］。在物體表面粘貼紙質(zhì)參考點(diǎn)時(shí)，根據(jù)物體表面的曲率變化確定粘貼參考點(diǎn)的位置。在參考點(diǎn)粘貼的方式上，常用的參考點(diǎn)粘貼方式有兩種：

（1）先噴涂顯像劑，后粘貼參考點(diǎn)；

（2）將參考點(diǎn)貼在拍攝背景上。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，方法（1）雖然操作方便，但是存在粘貼不牢固的問題，而且顯像劑噴涂的時(shí)候可能存在噴涂不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量誤差產(chǎn)生。方法（2）雖然能夠有效降低參考點(diǎn)帶來的誤差，但是在測(cè)量過程中存在被測(cè)件無法移動(dòng)的問題，導(dǎo)致被測(cè)件點(diǎn)云信息采集不完整。

為克服上述方法的局限性本文提出一種新的參考點(diǎn)粘貼方式：先粘貼參考點(diǎn)，后噴涂顯像劑，再用沾水棉簽將附著在參考點(diǎn)上的顯像劑擦掉。這種方法雖然操作有些繁瑣，但是它既不存在參考點(diǎn)移動(dòng)或脫落的現(xiàn)象也不怕被測(cè)件的位置發(fā)生移動(dòng)，而且通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ATOS系統(tǒng)具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，在測(cè)量結(jié)束后能夠自動(dòng)補(bǔ)償?shù)粲捎趨⒖键c(diǎn)厚度產(chǎn)生的距離，從而大大減小了數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)的測(cè)量誤差。圖5為粘貼參考點(diǎn)并噴涂顯像劑后的汽車后視鏡外殼。

圖5 粘貼參考點(diǎn)并噴涂顯像劑后的汽車后視鏡外殼

每次拍攝時(shí)，只要保證至少有三個(gè)有編號(hào)的參考點(diǎn)，即可通過公式（2）完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，自動(dòng)拼合出完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

使用ATOS掃描過程中發(fā)現(xiàn)改變?cè)O(shè)置參數(shù)也會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。根據(jù)控制變量法的思想，保持測(cè)量頭與被測(cè)件的相對(duì)距離、位置、角度均不發(fā)生改變，僅改變曝光值，在曝光值不同的情況下進(jìn)行多次掃描，得到結(jié)果如表1所示。

表1 曝光值對(duì)測(cè)量精度的影響

從表1中可以看出，曝光值的改變對(duì)測(cè)量精度的影響并不大，所以在測(cè)量過程中，只需選取適合拍攝的曝光值即可，不用過分在意其數(shù)值大小。

因?yàn)槠毓庵档糜绊懖⒉淮螅赃x取適當(dāng)曝光值即可，本文選取曝光值為0.035，通過改變掃描頭與被測(cè)物距離，判斷距離對(duì)精度的影響，通過多次實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)量距離對(duì)測(cè)量精度的影響

表2證明測(cè)量距離對(duì)測(cè)量精度的影響還是比較大的，測(cè)量距離在60～70cm左右時(shí)，測(cè)量誤差值較小，超出這個(gè)范圍，誤差值顯著增大。所以，最終選取測(cè)量距離在65cm左右。

掃描測(cè)量時(shí)兩臺(tái)CCD相機(jī)同時(shí)接收被測(cè)件的形貌信息，計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行處理運(yùn)算，并且將掃描出來的點(diǎn)云圖像呈現(xiàn)在顯示器上。本文選取一款汽車后視鏡外殼為被測(cè)件，經(jīng)過ATOS掃描系統(tǒng)測(cè)量后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 汽車后視鏡點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 曲面重構(gòu)

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出通過CATIA相應(yīng)的模塊進(jìn)行預(yù)處理及曲面擬合、CAD模型重建等相關(guān)工作。當(dāng)今世界上常用的三維軟件眾多，法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的CATIA軟件功能強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在逆向工程中，常用到DSE（數(shù)字曲面編輯）、QSR（快速曲面重構(gòu)）、創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)等模塊［8-10］。三維模型重建流程如圖7所示。

通過DSE導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)云數(shù)量高達(dá)361797個(gè)，如此多數(shù)量的點(diǎn)云不但存在噪聲點(diǎn)，還會(huì)降低CATIA的運(yùn)行速度，降低了工作效率，所以有必要在保證精度的前提下減少數(shù)據(jù)量。目前常用的兩種點(diǎn)云過濾方式是公差球法和弦公差法，對(duì)采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)分別進(jìn)行兩種過濾方法過濾結(jié)果如圖8所示。

圖7 三維模型重建流程

圖8 兩種不同方法過濾后的點(diǎn)云

對(duì)比圖8（a）、（b）兩張圖可以看出，公差球法過濾后的點(diǎn)云對(duì)曲率變化不大的點(diǎn)云效果較好，但對(duì)存在突變、曲率變化大的地方效果較差，造成特征信息的嚴(yán)重丟失。弦公差法在曲率變化大的地方能夠很好的保留特征信息但是點(diǎn)云過濾的效果并不是很好。

本文根據(jù)被測(cè)件特征信息豐富，存在邊緣曲率變化大的特點(diǎn)，提出一種新的點(diǎn)云過濾方式，在保證特征信息不丟失的情況下盡可能多的過濾點(diǎn)云。先采用弦公差法過濾一部分點(diǎn)云，此時(shí)特征信息保留的非常完整，但是點(diǎn)云過濾效果一般，影響運(yùn)行速度，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行均勻過濾，稀化特征信息處的點(diǎn)云數(shù)量。效果如圖9所示。

圖9 本文提出的點(diǎn)云過濾方法處理結(jié)果

三種點(diǎn)云過濾方法處理后的點(diǎn)云擬合精度對(duì)比如表3所示。

表3 三種方法的擬合精度

由上表可以看出，本文所采用過濾方法所產(chǎn)生的誤差平方和最小，方程的確定系數(shù)R-square也更接近于1，說明此方法處理后的點(diǎn)云在進(jìn)行曲面擬合時(shí)精度更高，而且能夠在保證被測(cè)件特征信息完整的前提下大大減少點(diǎn)云數(shù)量，縮短處理時(shí)間。所以此方法對(duì)于處理這種整體曲率變化不大，局部存在曲率變化大的物體效果較好。

為了能夠更好地辨識(shí)點(diǎn)云的各個(gè)特征，方便重建模型，需要將處理好的點(diǎn)云進(jìn)行鋪面并進(jìn)行補(bǔ)洞等網(wǎng)格處理。處理結(jié)果如圖10所示。

圖10 處理后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)

最后根據(jù)特征線提取，強(qiáng)力擬合，倒圓角等操作獲取最終重建的模型。如圖11所示。

圖11 重建的模型

3 結(jié)論

針對(duì)表面反光的物體，本文采用了先粘貼標(biāo)定點(diǎn)后噴涂顯像劑的方法對(duì)異形工件進(jìn)行處理，此方法大大減少了測(cè)量誤差的產(chǎn)生，拍攝時(shí)選取65cm為最佳測(cè)量距離，并在點(diǎn)云過濾的時(shí)候采用了新的過濾的方法，這種方法不但縮短了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，同時(shí)在保證特征信息盡量不丟失的前提下，過濾掉了大量冗余點(diǎn)，點(diǎn)云擬合后的誤差平方和約為1.758e-26。根據(jù)處理后的點(diǎn)云構(gòu)造出來的曲面具有良好的連接性，得到的三維模型也很完整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：本文ATOS掃描參數(shù)的確定方法和點(diǎn)云過濾方法適合這類整體曲率變化小，邊緣曲率變化大，特征信息豐富的被測(cè)件，能夠?yàn)楹笃谇鏀M合提供高質(zhì)量的點(diǎn)云，達(dá)到提高曲面重構(gòu)精確性和提高工作效率的目的。