鮑晨興， 王鍇磊， 郭天茂

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

三維坐標測量軟件是測量儀器與檢測人員之間的人機交互接口，軟件一般具有設(shè)備控制、模型導入、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、逆向建模等功能[1-3]，三維坐標測量軟件既是數(shù)據(jù)采集、處理應(yīng)用軟件，也是多元化檢測系統(tǒng)的集成平臺和信息展示的窗口。國內(nèi)軍工行業(yè)各大主機廠所使用的高端坐標檢測設(shè)備大多數(shù)仍然依靠國外進口，配套的坐標測量軟件也基本是國外的商業(yè)軟件，價格昂貴，存在信息安全隱患，無法定制開發(fā)，不能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車間數(shù)字化的發(fā)展需求，因此亟需開發(fā)具有國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)的通用型坐標測量軟件。

國外的商業(yè)化三維坐標測量軟件如NRK公司的Spatial Analyzer、InnoveMetric公司的PolyWorks、3D System公司的Geometric等在幾何檢測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[4]，它們均是通用型的坐標測量軟件，檢測功能較完善，能夠兼容多種儀器設(shè)備，雖然提供二次開發(fā)接口，但二次開發(fā)接口的功能有限，對國產(chǎn)設(shè)備不能兼容。隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)高校、研究機構(gòu)也進行了三維坐標測量軟件的開發(fā)[5]，常用于坐標測量軟件開發(fā)的三維引擎有ACIS、HOOP、OpenCASCADE、OpenSceneGraph等[6-8]，ACIS和HOOPS屬于商業(yè)庫，價格昂貴，系統(tǒng)龐大，開發(fā)上手比較困難；OpenCASCADE屬于開源庫，雖然免費，但是相關(guān)資料較少，穩(wěn)定性較差，開發(fā)起來也很困難。目前國內(nèi)還沒有成熟穩(wěn)定的通用型坐標測量軟件，國內(nèi)現(xiàn)有的測量軟件一般由測量儀器設(shè)備廠家定制開發(fā)，數(shù)據(jù)處理功能不夠完善，無法兼容多種儀器設(shè)備，不具備通用性。

AnyCAD Rapid SDK(以下簡稱AnyCAD)是一個包含三維幾何造型、圖形顯示、數(shù)據(jù)管理等模塊的綜合三維圖形平臺，AnyCAD核心功能基于C++實現(xiàn)，由幾何造型、顯示引擎、數(shù)據(jù)管理和交互框架組成，在開發(fā)接口上又分為AnyGeom幾何造型模塊和AnyViz三維顯示模塊[9]。本文采用AnyCAD搭建坐標測量軟件的基礎(chǔ)框架，實現(xiàn)三維模型導入和解析、三維顯示和人機交互等功能。檢測數(shù)據(jù)處理時借助AnyCAD良好的交互功能，實現(xiàn)形位公差的構(gòu)建和測量結(jié)果的顯示。

本文旨在搭建一款通用型的坐標測量軟件平臺，能夠連接多種國產(chǎn)和進口的測量儀器和設(shè)備，具備良好的三維顯示交互和完善的數(shù)據(jù)處理功能。通過研究，驗證了基于AnyCAD引擎快速搭建三維坐標測量軟件的可行性，為通用型三維坐標測量軟件的國產(chǎn)自主化提供有力的支撐，為軍工行業(yè)測量數(shù)據(jù)信息安全提供有力的保障，為車間實現(xiàn)測量儀器的統(tǒng)一管理和多種設(shè)備互聯(lián)等目標做好準備。

1 三維坐標測量軟件的系統(tǒng)設(shè)計

三維坐標測量儀器種類繁多，常見的有三坐標測量機、激光跟蹤儀、經(jīng)緯儀、激光雷達等[10]，每類測量儀器的測量原理不盡相同，但測量數(shù)據(jù)的類型基本一致，均為三維坐標點。三維坐標測量軟件的測量數(shù)據(jù)均源于此類測量儀器，坐標測量軟件一般具有三維可視化功能,可以實時顯示測量數(shù)據(jù)[11];具備多種格式的數(shù)據(jù)導入功能,可以實現(xiàn)CAD模型的導入和不同設(shè)備測量數(shù)據(jù)的導入;具有通用的程序接口,便于連接多種設(shè)備;具備完善的數(shù)據(jù)處理功能,可以進行三維幾何重建、尺寸測量、公差評價、模型匹配等。

1.1 系統(tǒng)組成

本文研究的三維坐標測量軟件的主要功能分為以下4部分:三維可視化及交互[12]、設(shè)備管理及數(shù)據(jù)采集、CAD模型導入及幾何解析、測量數(shù)據(jù)處理,具體如圖1所示。

圖1 三維坐標測量軟件組成原理

1.2 軟件架構(gòu)

本文開發(fā)的三維坐標測量軟件是基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)的WinForm類型應(yīng)用程序，采用模塊化設(shè)計方便更新和維護，主要包括三維顯示交互模塊、三維幾何造型模塊、儀器接口模塊、數(shù)據(jù)處理算法模塊等，如圖2所示。

圖2 三維坐標測量軟件架構(gòu)

2 軟件功能模塊設(shè)計

2.1 CAD模型導入及解析

CAD模型是零件加工制造的基礎(chǔ)，在三維坐標測量軟件中CAD模型主要有以下兩種作用：① 利用CAD模型進行測量路徑規(guī)劃；② 測量數(shù)據(jù)與CAD模型進行比對從而計算誤差。CAD模型數(shù)據(jù)中不僅包含結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)如三維點坐標，也包含幾何信息如直線的方向、平面的法向等信息，對CAD模型進行幾何解析就是獲取所有的數(shù)據(jù)信息，以便于后續(xù)的測量和計算。

AnyGeom幾何造型引擎具備幾何造型和模型解析的功能，模型解析的原理如圖3所示，從CAD模型上可以獲取其包含的所有幾何形狀的解析表達。

圖3 CAD模型解析原理

2.2 三維可視化原理

三維可視化顯示是采用AnyViz顯示引擎，其原理如圖4所示，待顯示的物體通過SceneNode類進行實例化，通過Geometry、Shape等相關(guān)類來描述形狀，通過Material類來描述外觀、材質(zhì)，通過Matrix、Transform類來管理物體位置及觀察視角。

圖4 三維可視化原理

測量點數(shù)據(jù)三維可視化的代碼如下，其中mRenderView是AnyViz渲染器(以下簡稱渲染器)的實例對象。

var material =PointsMaterial.Create("point-material");//創(chuàng)建顯示的外觀

material.SetPointSize(2.0f);//設(shè)置顯示點的大小 material.GetTemplate().SetVertexColors(true);

var geometry = GeometryBuilder.CreatePoints(new Float32Array(mPositions),new Float32Array(mColors));//通過點數(shù)據(jù)創(chuàng)建幾何對象

var node = new PrimitiveSceneNode(geometry,material);//通過幾何對象創(chuàng)建顯示節(jié)點

mRenderView.ShowSceneNode(node);//顯示節(jié)點

2.3 測量數(shù)據(jù)處理

測量數(shù)據(jù)為離散的三維坐標點，通過數(shù)據(jù)處理才能得到測量結(jié)果。數(shù)據(jù)處理功能是利用測量點數(shù)據(jù)進行幾何形狀重建、距離計算、角度計算、投影、相交等。

2.4 測量設(shè)備管理

三維坐標測量儀器采集的數(shù)據(jù)一般均為三維坐標點，因此可以通過設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)從不同的測量設(shè)備采集測量數(shù)據(jù)。測量設(shè)備生產(chǎn)商一般會向使用者提供用于二次開發(fā)的SDK。利用這些SDK可以通過軟件接口連接設(shè)備并獲取測量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)接口的格式進行轉(zhuǎn)換，就可以將數(shù)據(jù)導入到三維坐標測量軟件中。

3 軟件的開發(fā)與實現(xiàn)

本軟件基于Windows10 64-bit系統(tǒng)，采用Visual Studio2017進行開發(fā)，利用AnyCAD SDK實現(xiàn)三維顯示、交互操作及模型導入，圖5為三維坐標測量軟件主界面，主要包括軟件功能工具欄、設(shè)備與數(shù)據(jù)管理區(qū)、三維可視化顯示與交互區(qū)、儀器操作區(qū)等。

圖5 三維坐標測量軟件操作界面及主要功能展示

3.1 三維可視化數(shù)據(jù)管理及人機交互的實現(xiàn)

三維可視化數(shù)據(jù)管理是指對創(chuàng)建的測量數(shù)據(jù)、導入的幾何模型等進行顯示、隱藏、刪除等操作。渲染器中的每個顯示節(jié)點可以設(shè)置唯一的id，可以通過id從渲染器中獲取某個顯示節(jié)點，從而進行管理操作。本文創(chuàng)建字典類型對象Dictionary m_displayNodes用于存儲已創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，其中string類型數(shù)據(jù)代表節(jié)點數(shù)據(jù)的名稱，uint代表節(jié)點數(shù)據(jù)在渲染器中的id。創(chuàng)建顯示數(shù)據(jù)的流程如圖6所示。隱藏、刪除操作是通過名稱獲取顯示節(jié)點的id，再通過id從渲染器中獲取節(jié)點對象，最后執(zhí)行隱藏、刪除操作。

圖6 可視化數(shù)據(jù)管理流程圖

人機交互是通過用戶輸入(鼠標、鍵盤等)實現(xiàn)對顯示數(shù)據(jù)的操作，如旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、拾取等。其中拾取操作是測量數(shù)據(jù)處理時的必要功能，本文設(shè)計了pickDisplayInfo函數(shù)用于響應(yīng)渲染器的選擇事件。

public void pickDisplayInfo(PickedItem item)

{ switch (item.GetShapeType())

{ case EnumShapeFilter.Vertex:

//處理函數(shù);break;

case EnumShapeFilter.Face:

//處理函數(shù);break;..}}

其中，PickedItem對象包含了被選中的節(jié)點信息，如節(jié)點的幾何類型、id等，然后通過id獲取數(shù)據(jù)并處理。

3.2 CAD模型解析的實現(xiàn)

導入CAD模型是為了獲取待測零件各種幾何參數(shù)的理論設(shè)計值，借助AnyGeom幾何造型引擎可以實現(xiàn)對STP和IGES格式的三維模型導入，導入后得到TopoShape類型的對象，通過GetTopoShape()方法可以得到所有幾何拓撲結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，GetChildren(EnumTopoShapeType)方法可以獲取指定類型的子拓撲結(jié)構(gòu)的對象列表，比如獲取一個體的所有邊，一個邊的所有點等。通過TopoShape:FindChild()方法可以獲取指定索引和類型的子拓撲對象。模型解析的代碼實現(xiàn)如下。

var shape = StepIO.Open(file);

TopoShape totalshape = shape.GetTopoShape();

TopoShapeList edgeList = totalshape.GetChildren(EnumTopoShapeType.Topo_EDGE);

foreach (TopoShape edge in edgeList)

{TopoShapeList vertexList=edge.GetChildren(EnumTopoShapeType.Topo_Vertex);

foreach (TopoShape vertex in vertexList)

{ … //處理數(shù)據(jù)} }

通過以上方法可以從CAD模型中獲取測量目標的理論參數(shù)。圖7為CAD模型拾取某個面獲取其幾何解析參數(shù)的界面，信息包括原點坐標和法線方向。

圖7 CAD模型獲取幾何解析參數(shù)

3.3 多種設(shè)備兼容的實現(xiàn)

分別選取Leica激光跟蹤儀AT960和北京航天計量測試技術(shù)研究所研制的調(diào)頻激光雷達掃描儀，作為國外測量設(shè)備和國產(chǎn)設(shè)備的代表，以此驗證多設(shè)備兼容的可行性，圖5中右測區(qū)域即為兩種儀器的操作界面。

設(shè)計了測量數(shù)據(jù)接口函數(shù)addSinglePoint(string pointname,double x,double y,double z)，其中包含測量點名稱和三維坐標值。設(shè)計了設(shè)備管理類Class_Device用于管理不同的測量儀器,該類包含設(shè)備的操作界面、設(shè)備實例對象和設(shè)備名稱等屬性。Leica激光跟蹤儀提供的SDK為LMF.Tracker.Connection，通過其MeasurementArrived事件響應(yīng)函數(shù)可以獲取測量點的三維坐標值；調(diào)頻激光雷達提供的SDK為LaserRanderDLL，通過其sendSingleMeas事件響應(yīng)函數(shù)可以獲取測量點的三維坐標值。將測量點的三維坐標值再添加自定義名稱，調(diào)用addSinglePoint函數(shù)即可將測量數(shù)據(jù)傳入測量軟件中。

public class Class_Device

{ public Form_Device _formDevice;

public Device _device;

public string _name; }

4 結(jié)束語

本文將AnyCAD三維引擎應(yīng)用于三維坐標測量軟件的開發(fā)，通過AnyGeom幾何造型引擎實現(xiàn)CAD模型的導入及解析，通過AnyViz顯示引擎實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的顯示，開發(fā)了一款通用型三維坐標測量軟件，具備良好的三維可視化及人機交互、模型導入與解析等功能，同時能夠兼容多種測量儀器設(shè)備。通過研究，驗證了基于AnyCAD平臺快速搭建具有國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)坐標測量軟件的可行性，并驗證了對國內(nèi)外坐標測量儀器同時兼容的可能性。