逆向工程课件
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– ICP ( Iterative Closest Point )
• 标志点自动拼接
法
标 志 点 拼 接
39
平面
– 噪声
三
维
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
扫
描
圆柱或圆球
仪
– 噪声 – 误差
精
度
评
估
大 物
累积误差问题
体
的
三
维
拼
接
全 建立标志点框架 局 误 差 控 制 技 术
全
局
将扫描数据粘贴到框架上
误
差
控
制
技
术
（
续
）
43
在线白光照相扫描系统
手持式三维激光扫描仪
手持式三维激光扫描仪
FARO’s Family of Arms
Sterling Series
size: 1.2, 1.8, 2.4, 3.0m accuracy: +/- 0.10 mm
Silver Series
Gold Series
size: 2.4, 3.7m
●线扫描－－改进的能量法对曲线光顺。 ●图象数据－－平滑滤波方法,包括空间域方法（低通空间
滤波、中值滤波、取多幅图象平均值）和频率域方法（低 通滤波）。
■数据匀化：样件本身复杂的拓扑结构和固定样件所用的夹具 都会引起测量数据的局部缺失，这可能会给特征提取和曲面重 构带来很大困难。在进行特征提取前，应通过一定的方法恢复 丢失的测量信息，这就是数据匀化或数据补全技术。
2.激光扫描
激光扫描法保证物件不动，通过移动镜头在物件 上匀速扫过完成扫描过程。大约每0.01s扫出一条 扫描线，若干扫描线连成一体形成点云
激光扫描对操作者的操作水平要求非常高： 1.镜头与样件保持恒定的距离 2.扫描速度恒定 3.尽量避免重复扫描
激光扫描的最大缺点是扫描精度低
CREAFORM
便携式光笔三坐标测量机
一般
一般
严格
非常广泛 较广泛
硬质物体
常见点云数据获取格式
Asc Igs Txt Dat stl
练习
Geomagic、Catia点云数据导入，数 据基本操作 点云数据记事本打开，数据结构了解 点云数据信息获取
四.点云数据的处理
1.点云的多视拼合
数据采集过程中不可能通过一次 定位获取待测物体所有表面的数据点 信息，其原因主要有以下两点:
The magnetic base is ideal to secure the FaroArm to metall surfaces, including the part itself, ins some cases..
激光扫描仪扫描得到的点云数据
3.照相式扫描
以高分辨率高速扫描实物表面，由数码相 机摄入条纹和色彩图像，经先进独特的三 维图像处理软件对条纹图像进行高速处理， 计算出各象素对应点的精确空间坐标（X、 Y、Z）和逼真的色彩（R、G、B）数据，生 成三维型面点云数据，实现对几乎所有可 视物体、人体的光学三维数字化扫描。
逆向工程在汽车设计中的应用
车身设计
模具设计
快速原型
冲压仿真
NC加工
逆向工程流程
油泥模型 数据采集 数据预处理 特征识别 区域分割 曲线拟合
降噪、除杂 精简
网格化
点云拼合
Y CAM系统
模具
是否 符合
N
曲面重构 CAE分析 CAD模型 形状优化
快速成型RP
新产品
逆向案例演示
二.逆向工程常用软件
1.geomagic
接触式测量过程中测头与模型表面接触进行扫描测量，其 测量精度高，缺点是测量速度慢，摩擦力和弹性变形的存 在易引起模型变形产生测量误差。对微细部分的测量受到 限制，不适于软质材料或薄形物件进行扫描。
非接触式测量速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接 触压力造成的测量误差，精密测量获得的密集点云信息量 大，精度高，最大限度地反映被测表面的真实形状，适用 于各种软硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量。
激光扫描
非接触式 照相扫描
数据获取方法 接触式
断层处理 机械手 坐标测量机
三角形法 距离法 结构光法 干涉测量法 图象分析法
三维扫描仪发展历程（一）
第一代：点测量（接触式测量）
通过记录测量机实际接触物体X,Y,Z坐标值，从而获取物体表面数据的方法。 代表设备有：三坐标测量仪；柔性关节臂（精度不高） 。通过每一次的测量点 反映物体表面特征， 优点：精度高，适合高精度的产品检测领域。 缺点：速度慢，不适合大量数据的采集，只能在测量较规则物体上有优势。
1.测量设备有一定的测量范围 限制，对于尺寸较大的物体无法一次 定位测量，必须进行分块测量。
2.采用照相式扫描时某些表面 是不可见的（如零件的反面和复杂物 体某些表面），这样就需要从不同角 度使用多次定位进行测量，然后对测 得的各个视图进行重新定位和数据融 合，生成一个统一坐标系下的三维数 据点集，最后通过模型重建方法生成 物体的三维几何模型。
ATOS, Industrial 3D Digitizer
标准型 ATOS
三维扫描用于: 反向工程 质量控制 直接及仿型铣加工 数据备份 快速成形 仿真
ATOS SO – 小物体扫描系统
扫描结果: 包含完整数据和细节
ATOS II SO: 桌面操作系统
高密度高精度数据: +/- 0.01 mm
三维扫描仪发展历程（三）
第三代 面扫描 （光栅照相式）
利用条纹光栅图像的相移和解相技术，获得物体表面三维数据的方法。 作为最新一代的三维数据获取技术，它具有高精度、高速度、数据信 息大等特点。
目前最新的技术发展使它还具有：标志点全自动拼接、全局的 误差控制等功能来保证数据的完整性和精确性。
1.接触式与非接触式测量
面 结
结构光
构
– 激光点、线
光
– 二维图案
Laser
三
维
扫
描
单面数据获取
– 系统标定 – 点匹配 – 三维重建
数据拼接
35
双相机+投影仪
36
数
据
将多次拍摄的数据拼合到一个坐标系
拼
– 配准(Registration)
接
– 融合(Merge)
37
三
维
数 • 利用机械装置拼接
据 拼 接 方
• 手动 拼接
三维扫描仪发展历程（二）
第二代 激光扫描 （非接触） 采用激光三角法位移测量 计算物体表面三维坐标点的方法。主要有线激光
和点激光两种。 代表设备：台式激光三维扫描仪 、手持式三维扫描仪 、附加式激光测量头 优点：相对于上一代产品速度和便携性上占有优势。 缺点：精度差，只适合测量中小型物体，属于过度类产品。
工业CT扫描得到的人脑骨骼
系统体积 系统重量 点云密度 测量精度 测量范围 测量时间 彩色信息 安装装置 操作过程 工作环境 适用范围
照相式扫描 激光扫描仪 坐标测量机
一般
小
大
轻
轻，便携 重，不可移
超高
高、不均匀 低
较高
较低
高
大
一般
大
0.01－0.4s 数10秒
数小时
有
无
无
一般
简单
需要调试
简单
需掌握技巧 难，严格
size: 1.2, 1.8, 2.4, 3.0, 3.7m
accuracy : +/- 0.07 mm accuracy : +/- 0.05 mm
Body in White Measurements
The FaroArm replaces manual coordinate measuring machines, or horizontal arms, which have limited movement and flexibility within a constrained volume. (Chrysler, Canada).
（常用于点云处理）
2.Rapidform
（常用于点云处理）
3.Imageware
（常用于曲线构造）
4.Catia
（常用于曲面创建）
5.UG/NX
（常用于曲面创建）
练习
逆向设计流程体验
三.点云数据的获取
数据采集方法
数据获取技术是反求工程建模的第一步，它 是用一定的设备对实物进行测量来获取实物的表 面数据（有时也包括内部数据）。
Body in White Measurements
The rolling tripod is a formidable accesory to the FaroArm, permitting the quick deployment of the FaroArm throughout the manufacturing plant.
Digimetric应用案例
整车的测量
整车扫描 OKIO系统+Digimetric系统
照相式扫描仪车身扫描实例
照相式扫描仪Camega得到的点云
4.工业CT和逐层切削照相测量技术
工业CT技术是一种基于X射线的CT扫描机测量方法，利用测量 物体对X射线的衰减系数，由计算机重建物体的断层图像。它 适合于测量复杂的内部几何形状，利用它可以直接获取物体的 截面数据，根据CT图像来重构三维模型，然后转化为STL或CLI 文件格式。它是目前唯一的一种既测量了零件复杂的内部几何 形状，又不破坏零件的技术。但是该方法也存在很大的缺点： 成本高、在Z轴方向测量精度差，目前最小厚度达0.1mm。
Subassembly Inspections
The FaroArm is able to provide critical interior measurements with a high level of accuracy, which has not been possible ever before with ordinary tools or measuring devices.
ATOS XL – 大物体扫描
美国宇航局(NASA) X-38CRV 扫描时间: 3 天
85,000,000点云数据 (shaded)
Falcon 飞机
光栅式三维扫描仪原理
作为第三代面扫描的代表产品天远三维扫描仪采用相位和立体视觉技术的结 合的技术，在物体表面投射光栅，用两架摄像机拍摄发生畸变的光栅图像， 利用编码光和相移方法图像上每一点的相位。计算点在三维空间坐标，以实 现物体表面三维轮廓的测量。
光栅照相式三维扫描仪特点
非接触扫描物体 扫描速度极快 精度高 高密度采样点 便携式设计
多角度 建立框 架
自动拼接 扫描数据 显示
多角度 建立框 架
扫描 数据
再进行数据 扫描
多次扫描数据显示
进一步后处理
TRITOP 测量整车车身
Digimetric三维摄影测量系统构成
Digimetric系统测量软件 编码点 标志点 专业数码相机 高精度测量标尺
点云多视拼合方法
基于标定球拼合 旋转式拼合 321拼合 基于曲率的拼合 基于骨架点的拼合
练习
点云数据拼接
一汽红塔车身前围扫描、拼合过程
2.点云的降噪、匀化
■噪声去除：数据噪声主要由振动、镜面反射或零件粗糙的 表面等因素引起，是测量中很难避免的。噪声不仅会增加曲 率或法矢的估算误差，影响数据分块，而且会破坏曲面模型 的光顺性，这是一个不容忽视的问题。
利用扫描仪建立框架结果
如 何
利用扫描仪拍摄标志点，建立框架
建 利用三维摄影测量系统建立框架
立
框
架
Automotive Design 汽车设计 Model development 模型开发
ATOS XL 扫描及处理后数据
GT40 (Ford) 1:1 汽车模型
内外数据可视 化扫描过程
快速逆向过程
逐层切削照相测量是一种新兴的断层测量技术，它以极小的厚 度去逐层切削实物（最小可达0.01mm），并对每一断面进行照 相，获取截面图像数据，其测量精度达±0.02mm，是目前断层 测量精度最高的方法，且成本较低，与工业CT相比，价格便宜 70‰～80‰，但它的致命缺点是破坏了零件。从发展趋势看， 工业CT和逐层切削照相测量将占反求工程测量方法主导地位， 应用范围也会广泛。
逆向工程
报告内容：
逆向工程简介 逆向工程常用软件 点云数据获取 点云处理 特征提取与数据分块 曲线、曲面构造 曲面连续性 曲面品质 车身A级曲面
一.逆向工程简介
逆向工程概念
逆向工程（reverse engineering）也称反求工程，它是在 只有产品模型或实物模型，而没有产品的定义和图纸的前提下， 通过测量得到数据，从而建立起数字模型，然后将这些模型和表 征用于产品的分析、模具制造和加工生产中的过程。
数据补全过程和实例
练习
点云数据降噪及补全
3.点云数据的过滤
■数据压缩：随着激光测量技术的广泛应用，测量结果往往是 大规模的，因此可能存在大量的冗余数据，在曲面造型前需要 按一定要求减少测量点的数量，即进行数据压缩。不同类型的 数据其压缩方法也不同。
扫描点（68531个点）
• 标志点自动拼接
法
标 志 点 拼 接
39
平面
– 噪声
三
维
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
扫
描
圆柱或圆球
仪
– 噪声 – 误差
精
度
评
估
大 物
累积误差问题
体
的
三
维
拼
接
全 建立标志点框架 局 误 差 控 制 技 术
全
局
将扫描数据粘贴到框架上
误
差
控
制
技
术
（
续
）
43
在线白光照相扫描系统
手持式三维激光扫描仪
手持式三维激光扫描仪
FARO’s Family of Arms
Sterling Series
size: 1.2, 1.8, 2.4, 3.0m accuracy: +/- 0.10 mm
Silver Series
Gold Series
size: 2.4, 3.7m
●线扫描－－改进的能量法对曲线光顺。 ●图象数据－－平滑滤波方法,包括空间域方法（低通空间
滤波、中值滤波、取多幅图象平均值）和频率域方法（低 通滤波）。
■数据匀化：样件本身复杂的拓扑结构和固定样件所用的夹具 都会引起测量数据的局部缺失，这可能会给特征提取和曲面重 构带来很大困难。在进行特征提取前，应通过一定的方法恢复 丢失的测量信息，这就是数据匀化或数据补全技术。
2.激光扫描
激光扫描法保证物件不动，通过移动镜头在物件 上匀速扫过完成扫描过程。大约每0.01s扫出一条 扫描线，若干扫描线连成一体形成点云
激光扫描对操作者的操作水平要求非常高： 1.镜头与样件保持恒定的距离 2.扫描速度恒定 3.尽量避免重复扫描
激光扫描的最大缺点是扫描精度低
CREAFORM
便携式光笔三坐标测量机
一般
一般
严格
非常广泛 较广泛
硬质物体
常见点云数据获取格式
Asc Igs Txt Dat stl
练习
Geomagic、Catia点云数据导入，数 据基本操作 点云数据记事本打开，数据结构了解 点云数据信息获取
四.点云数据的处理
1.点云的多视拼合
数据采集过程中不可能通过一次 定位获取待测物体所有表面的数据点 信息，其原因主要有以下两点:
The magnetic base is ideal to secure the FaroArm to metall surfaces, including the part itself, ins some cases..
激光扫描仪扫描得到的点云数据
3.照相式扫描
以高分辨率高速扫描实物表面，由数码相 机摄入条纹和色彩图像，经先进独特的三 维图像处理软件对条纹图像进行高速处理， 计算出各象素对应点的精确空间坐标（X、 Y、Z）和逼真的色彩（R、G、B）数据，生 成三维型面点云数据，实现对几乎所有可 视物体、人体的光学三维数字化扫描。
逆向工程在汽车设计中的应用
车身设计
模具设计
快速原型
冲压仿真
NC加工
逆向工程流程
油泥模型 数据采集 数据预处理 特征识别 区域分割 曲线拟合
降噪、除杂 精简
网格化
点云拼合
Y CAM系统
模具
是否 符合
N
曲面重构 CAE分析 CAD模型 形状优化
快速成型RP
新产品
逆向案例演示
二.逆向工程常用软件
1.geomagic
接触式测量过程中测头与模型表面接触进行扫描测量，其 测量精度高，缺点是测量速度慢，摩擦力和弹性变形的存 在易引起模型变形产生测量误差。对微细部分的测量受到 限制，不适于软质材料或薄形物件进行扫描。
非接触式测量速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接 触压力造成的测量误差，精密测量获得的密集点云信息量 大，精度高，最大限度地反映被测表面的真实形状，适用 于各种软硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量。
激光扫描
非接触式 照相扫描
数据获取方法 接触式
断层处理 机械手 坐标测量机
三角形法 距离法 结构光法 干涉测量法 图象分析法
三维扫描仪发展历程（一）
第一代：点测量（接触式测量）
通过记录测量机实际接触物体X,Y,Z坐标值，从而获取物体表面数据的方法。 代表设备有：三坐标测量仪；柔性关节臂（精度不高） 。通过每一次的测量点 反映物体表面特征， 优点：精度高，适合高精度的产品检测领域。 缺点：速度慢，不适合大量数据的采集，只能在测量较规则物体上有优势。
1.测量设备有一定的测量范围 限制，对于尺寸较大的物体无法一次 定位测量，必须进行分块测量。
2.采用照相式扫描时某些表面 是不可见的（如零件的反面和复杂物 体某些表面），这样就需要从不同角 度使用多次定位进行测量，然后对测 得的各个视图进行重新定位和数据融 合，生成一个统一坐标系下的三维数 据点集，最后通过模型重建方法生成 物体的三维几何模型。
ATOS, Industrial 3D Digitizer
标准型 ATOS
三维扫描用于: 反向工程 质量控制 直接及仿型铣加工 数据备份 快速成形 仿真
ATOS SO – 小物体扫描系统
扫描结果: 包含完整数据和细节
ATOS II SO: 桌面操作系统
高密度高精度数据: +/- 0.01 mm
三维扫描仪发展历程（三）
第三代 面扫描 （光栅照相式）
利用条纹光栅图像的相移和解相技术，获得物体表面三维数据的方法。 作为最新一代的三维数据获取技术，它具有高精度、高速度、数据信 息大等特点。
目前最新的技术发展使它还具有：标志点全自动拼接、全局的 误差控制等功能来保证数据的完整性和精确性。
1.接触式与非接触式测量
面 结
结构光
构
– 激光点、线
光
– 二维图案
Laser
三
维
扫
描
单面数据获取
– 系统标定 – 点匹配 – 三维重建
数据拼接
35
双相机+投影仪
36
数
据
将多次拍摄的数据拼合到一个坐标系
拼
– 配准(Registration)
接
– 融合(Merge)
37
三
维
数 • 利用机械装置拼接
据 拼 接 方
• 手动 拼接
三维扫描仪发展历程（二）
第二代 激光扫描 （非接触） 采用激光三角法位移测量 计算物体表面三维坐标点的方法。主要有线激光
和点激光两种。 代表设备：台式激光三维扫描仪 、手持式三维扫描仪 、附加式激光测量头 优点：相对于上一代产品速度和便携性上占有优势。 缺点：精度差，只适合测量中小型物体，属于过度类产品。
工业CT扫描得到的人脑骨骼
系统体积 系统重量 点云密度 测量精度 测量范围 测量时间 彩色信息 安装装置 操作过程 工作环境 适用范围
照相式扫描 激光扫描仪 坐标测量机
一般
小
大
轻
轻，便携 重，不可移
超高
高、不均匀 低
较高
较低
高
大
一般
大
0.01－0.4s 数10秒
数小时
有
无
无
一般
简单
需要调试
简单
需掌握技巧 难，严格
size: 1.2, 1.8, 2.4, 3.0, 3.7m
accuracy : +/- 0.07 mm accuracy : +/- 0.05 mm
Body in White Measurements
The FaroArm replaces manual coordinate measuring machines, or horizontal arms, which have limited movement and flexibility within a constrained volume. (Chrysler, Canada).
（常用于点云处理）
2.Rapidform
（常用于点云处理）
3.Imageware
（常用于曲线构造）
4.Catia
（常用于曲面创建）
5.UG/NX
（常用于曲面创建）
练习
逆向设计流程体验
三.点云数据的获取
数据采集方法
数据获取技术是反求工程建模的第一步，它 是用一定的设备对实物进行测量来获取实物的表 面数据（有时也包括内部数据）。
Body in White Measurements
The rolling tripod is a formidable accesory to the FaroArm, permitting the quick deployment of the FaroArm throughout the manufacturing plant.
Digimetric应用案例
整车的测量
整车扫描 OKIO系统+Digimetric系统
照相式扫描仪车身扫描实例
照相式扫描仪Camega得到的点云
4.工业CT和逐层切削照相测量技术
工业CT技术是一种基于X射线的CT扫描机测量方法，利用测量 物体对X射线的衰减系数，由计算机重建物体的断层图像。它 适合于测量复杂的内部几何形状，利用它可以直接获取物体的 截面数据，根据CT图像来重构三维模型，然后转化为STL或CLI 文件格式。它是目前唯一的一种既测量了零件复杂的内部几何 形状，又不破坏零件的技术。但是该方法也存在很大的缺点： 成本高、在Z轴方向测量精度差，目前最小厚度达0.1mm。
Subassembly Inspections
The FaroArm is able to provide critical interior measurements with a high level of accuracy, which has not been possible ever before with ordinary tools or measuring devices.
ATOS XL – 大物体扫描
美国宇航局(NASA) X-38CRV 扫描时间: 3 天
85,000,000点云数据 (shaded)
Falcon 飞机
光栅式三维扫描仪原理
作为第三代面扫描的代表产品天远三维扫描仪采用相位和立体视觉技术的结 合的技术，在物体表面投射光栅，用两架摄像机拍摄发生畸变的光栅图像， 利用编码光和相移方法图像上每一点的相位。计算点在三维空间坐标，以实 现物体表面三维轮廓的测量。
光栅照相式三维扫描仪特点
非接触扫描物体 扫描速度极快 精度高 高密度采样点 便携式设计
多角度 建立框 架
自动拼接 扫描数据 显示
多角度 建立框 架
扫描 数据
再进行数据 扫描
多次扫描数据显示
进一步后处理
TRITOP 测量整车车身
Digimetric三维摄影测量系统构成
Digimetric系统测量软件 编码点 标志点 专业数码相机 高精度测量标尺
点云多视拼合方法
基于标定球拼合 旋转式拼合 321拼合 基于曲率的拼合 基于骨架点的拼合
练习
点云数据拼接
一汽红塔车身前围扫描、拼合过程
2.点云的降噪、匀化
■噪声去除：数据噪声主要由振动、镜面反射或零件粗糙的 表面等因素引起，是测量中很难避免的。噪声不仅会增加曲 率或法矢的估算误差，影响数据分块，而且会破坏曲面模型 的光顺性，这是一个不容忽视的问题。
利用扫描仪建立框架结果
如 何
利用扫描仪拍摄标志点，建立框架
建 利用三维摄影测量系统建立框架
立
框
架
Automotive Design 汽车设计 Model development 模型开发
ATOS XL 扫描及处理后数据
GT40 (Ford) 1:1 汽车模型
内外数据可视 化扫描过程
快速逆向过程
逐层切削照相测量是一种新兴的断层测量技术，它以极小的厚 度去逐层切削实物（最小可达0.01mm），并对每一断面进行照 相，获取截面图像数据，其测量精度达±0.02mm，是目前断层 测量精度最高的方法，且成本较低，与工业CT相比，价格便宜 70‰～80‰，但它的致命缺点是破坏了零件。从发展趋势看， 工业CT和逐层切削照相测量将占反求工程测量方法主导地位， 应用范围也会广泛。
逆向工程
报告内容：
逆向工程简介 逆向工程常用软件 点云数据获取 点云处理 特征提取与数据分块 曲线、曲面构造 曲面连续性 曲面品质 车身A级曲面
一.逆向工程简介
逆向工程概念
逆向工程（reverse engineering）也称反求工程，它是在 只有产品模型或实物模型，而没有产品的定义和图纸的前提下， 通过测量得到数据，从而建立起数字模型，然后将这些模型和表 征用于产品的分析、模具制造和加工生产中的过程。
数据补全过程和实例
练习
点云数据降噪及补全
3.点云数据的过滤
■数据压缩：随着激光测量技术的广泛应用，测量结果往往是 大规模的，因此可能存在大量的冗余数据，在曲面造型前需要 按一定要求减少测量点的数量，即进行数据压缩。不同类型的 数据其压缩方法也不同。
扫描点（68531个点）