逆向工程中的点云处理

表格一．１数据采集方法［１０］
接触式 机Ｃ 器 Ｍ 三角测 手Ｍ
距离
非接触式 光学 结构光 干涉
逐层扫描 。尸 电 Ｃ Ｍ 层切
图象分 波 磁 Ｔ Ｒ 图象
析
Ｉ法
表格一．２数据采集方法的比较［１１】
三坐标测量仪
精度
速度 是否可测 形状限制
内轮廓
±Ｏ．５，ｕｍ 慢
否
无
材料限制 成本
无
高
投影光栅法
±２０９ｍ 快
否
表面不能太陡 无
低
激光三角法 ＣＣＤ摄像法 ＣＴ和ＭＲＩ
±５／ａｎ
快
否
４０／ａｎ
快
否
＞ｌｆ肌 较慢 是
表面不能太陡 无
无
无
无
有
较低 低 很高
逐层切削扫描
±２５，ｕｒｎ 较慢 是
无
无
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接触式数据采集设备是通过安装在机械臂末端的探头接触被测物体的表面 来测量数据的。接触式数据采集设备的探头分为硬式探头，触发式探头，和模拟 式探头等三种。硬式探头是最早采用的探头，通过手工操作探头接触工件表面， 由人眼及感觉做判断，再利用脚踏开关触发，将此点坐标传送到处理器。硬式探 头成本低，至今仍然有人使用，但是由于人工判断触点难度较高，测量误差也比 较大。触发式探头采用电子开关机构，当探头接触到工件表面，电子开关机构会
接触式数据采集设备的典型代表是英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司生产的系列三坐标测 量仪，如ＣＹＣＬＯＮＥ扫描仪。
（ａ）接触式探头
（ｂ）坐标测量机
图表～．３几种接触式测量设备
非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一 定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。
例如：声纳测量仪利用声音遇到被测物体产生回声的时间计算点与声源间的 距离；激光测距法是将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离；图 像分析法是利用一点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点 的空间坐标；激光三角形法利用光源与影像感应装置（如摄像机）间的位置与角
计算机辅助设计可以有效的提高设计的速度与质量，从而产生十分显著的经 济效益。如果将设计、制作、工艺处理、管理等多个步骤用计算机集成处理，则 产品的整个生产效率与质量可获大大的改善。ＣＡＤ技术起步于２０世纪５０年代后期， 先后经历了二维绘图、线框造型、曲面造型、实体造型、参数化设计等几个发展 阶段。经过４０年的发展，传统的ＣＡＤ技术已经渐趋成熟，并且在制造业和其他行 业获得了广泛的应用［２］。
浙江大学硕士学位论文
第一章引言
第一章引言
１．１国内外研究动态
计算机辅助设计（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ，ＣＡＤ）是计算机应用最重要的 领域之一。设计是人类认识世界和改造世界的重要活动。从飞机、轮船、建筑、 直至家居、器皿，一切制造及工程行业无不需要设计。随着计算技术的不断发展， ＣＡＤ技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要 标志之一［１］。
散乱点云：测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态。随机扫描方 式下的ＣＭＭ、激光点测量等系统的点云呈现散乱状态。
扫描线点云：点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内。 ＣＭＭ、激光点三角测量系统沿直线扫描的测量数据和线结构光扫描测量数据呈现 该特征。
网格化点云：点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应。将ＣＭＭ、 激光扫描系统、投影光概测量系统及立体视差法获得的数据经过网格化插值后得 到的的点云即为网格化点云。
．８．
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逆向丁程中的点云处理
图表一．１逆向工程实旌原理简图
在ＣＡＤ领域，还存在着一种发展中的造型技术，就是逆向工程（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ）技术［３］。逆向工程，可以简单地定义为“理解原始的设计意
．４．．
浙江大学硕士学位论文
第一章引言
第一章引言
１．１国内外研究动态
计算机辅助设计（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ，ＣＡＤ）是计算机应用最重要的 领域之一。设计是人类认识世界和改造世界的重要活动。从飞机、轮船、建筑、 直至家居、器皿，一切制造及工程行业无不需要设计。随着计算技术的不断发展， ＣＡＤ技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要 标志之一［１］。
在本文中，主要研究的是散乱点云，通用的处理方法。对于特殊类型的点云， 除了通用的方法外，还可以根据点云本身的特点灵活变化采用。
１．１．２赦据的获得
数据采集是数据处理、模型重建的基础。高效率、高精度地采集样件的外形 数据是逆向工程的一个重要研究内容。随着科学技术的不断发展，测量技术也随
一６。
浙江大学硕士学位论文
随着测量设备的数字化，自动化，精度程度的不断提高，模型的测量数据 呈快速增长趋势。目前一般的激光测量设备可以从产品表面轻易获取数十万甚 至几百万的测量数据。如此巨量的测量数据不仅加大了系统的负荷，而且大大 降低了后续处理的效率。因此在抽象建模之前，对点云数据进行预处理显得尤 其重要。本文将详细论述了点云预处理，其中包括的主要内容有：点云的采样、 平滑滤波，点云的分割融合，坐标变换，数据的派生和重组，数据的排序和矢 量化。在总结点云预处理的各方面内容目前处理方法和研究情况的同时，本文 亦提出对一些算法上的改进，尤其是点云的采样中，本文提出了一种新的在大 规模采样过程中保留边界点的算法。
．７．
浙江大学硕上学位论文
第一章引高
产生开关变化，将此时的坐标锁住并送往处理器做处理。触发式探头的触发信号 由电子开关控制，因此它的可重复性、准确性较高，并且不受人为因素的影响， 为现代三维坐标测量机最常用的探头。参见图一．３（ａ）。
坐标测量机（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｉ ｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ，ＣＭＭ）是典型的接触式数据采 集设备。坐标测量机可以在三个互相垂直的导轨上移动，探头以接触式的方式传 递信号，三个导轨的位移测量系统经数据处理器或计算机计算出被测物体表面各 点的坐标。触发式数据采集设备的缺点是测量效率较低，优点是可以通过人为规 划，使得在犬益率或益率变化剧烈的区域获得较多的测量点，而在褶对平坦的区 域则可以测量较少的点，可以结合造型方法，人工对被测物体进行区域规划，测 量对物体形状起关键作用的特征线和曲线网格，数据点可以根据需要组织成模型 重建软件所需要的形式，然后根据特征线及曲线网格重建物体的ＣＡＤ模型，减少 数据处理的难度和工作量。参见图一．３（ｂ）。
计算机辅助设计可以有效的提高设计的速度与质量，从而产生十分显著的经 济效益。如果将设计、制作、工艺处理、管理等多个步骤用计算机集成处理，则 产品的整个生产效率与质量可获大大的改善。ＣＡＤ技术起步于２０世纪５０年代后期， 先后经历了二维绘图、线框造型、曲面造型、实体造型、参数化设计等几个发展 阶段。经过４０年的发展，传统的ＣＡＤ技术已经渐趋成熟，并且在制造业和其他行 业获得了广泛的应用［２］。
输出
图表一．２ ＲＥ系统产品建模示意
逆向工程并不限于样件复制，其目标是实现一种智能化的三维扫描识别重建 系统。三维扫描识别系统不仅要获得物体的基本数据，而且要对数据进行必要的 处理，建立相应的计算机模型，允许对该模型的体积和面积等物理特性计算进行 分析、修改等等。［６］
据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一 种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。［７］
．５一
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第一章引言
１．１．１点云概念
三维数据（点云）［８］就是使用各种三维数据采集仪采集得到的数据，它记 录了有限体表面在离散点上的各种物理参量。它包括的最基本的信息是物体的各 离散点的三维坐标、大小和法向量等，其它的可以包括物体表面的颜色、透明度、 纹理特征等等。
为了有效的处理各种形式的点云，［９］根据点云中点的分布特点（如排列方 式、密度等）将点云可分为：
逆向工程中的点云处理
着新的物理原理、新的技术成就的不断引入而获得长足发展，光波干涉技术特别 是激光技术的实用化使得测量精度提高了１～２个数量级；数字显示技术在测量 上得到了充分的应用，提高了读数精度和可靠性；光电摄像技术与计算技术的结 合，使得对复杂零件的测量无论是精度还是效率都得到了极大的提高。
数据采集设备一般可以分为两大类，接触式设备和非接触式设备［４］，接触 式测量方法测量精度高、适应性强，但测量效率低，而且对一些软质表面无法进 行测量；非接触式测量方法测量效率高，近年来在精度上已显著提高。
图表一．１逆向工程实旌原理简图 在ＣＡＤ领域，还存在着一种发展中的造型技术，就是逆向工程（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ）技术［３］。逆向工程，可以简单地定义为“理解原始的设计意
．４．．
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逆向工程中的点云处理
图和机制”，包括形状、材料、１：艺等诸多方面。目前有关逆向工程的研究和应 用大多数针对实物模型的几何形状的反求，在这个意义下，逆向工程是根据已有 实物模型的坐标测量数据，重新建立实物的数字化模型，而后进行分析、加工等 处理。这里的实物模型可以是机械产品、人体、动植物、艺术品、地形地貌等等 ［４－５］。通过实物模型产生其数字化模型，可以充分利用数字化的优势，提高设 计、制造、分析的质量和效率，并适应智能化、集成化、并行化、网络化的产品 设计制造过程中的信息存储与交换。逆向工程将现代坐标测量设备作为产品设计 的前置输入装置和原型或产品制造后的检测手段，与快速原型制造（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ＲＰＭ）、计算机辅助设计与制造（ＣＡＤ／ＣＡＭ）相结合并 形成产品设计制造的闭环系统，将有效提高产品的快速响应能力，丰富几何造型 方法和产品设计手段，其关键技术可用于其他许多领域，从而拓宽计算机辅助建 模的应用。
摘要
２０世纪９０年代以来，激烈的市场竞争对产品研制开发的时间和产品的更新 换代速度提出了越来越高的要求，运用新的设计制造技术来满足市场需求层出 不穷，其中在产品设计制造领域中广泛采用了逆向工程（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ） 来缩短产品研制时间。ＲＥ指的是根据现有的产品模型，利用数字化测量设备获 取实体数据，然后对这些数据进行拟合，构建一个完整的ＣＡＤ模型，因此逆向 工程可以分为三个过程一数据采集（ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ），数据处ｔ！里（ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）， 抽象建模（ａｂｓｔｒａｃｔ＆ｍｏｄｅｌ）。本文主要研究后二个方面的内容～即如何高效的处 理、显示实体数据（数据处理的内容）以及后续的抽象建模一如特征的提取、曲 面的拟合。
预处理完后的下一步是抽象建模。本文中点云的建模主要包括特征线和特 征面的提取。特征线的提取简单的有二种方法，一种是点云数据通过构造三角 化网格，根据三角网格的拓扑关系可以检测出大略表达实体的特征线，另一种 直接由点云数据拟合、数据排序构造出轮廓特征线一本文将详细论述这种方法。 特征曲面的提取与特征线类似，有多种方法：可以以特征线为基础生成曲面， 如放样法（１０ｆｔｉｎｇ）、Ｂｏｕｎｄ ＵＶ Ｃｕｒｖｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ方法，也可以直接通过点云数据直 接拟合曲面。前者曲面受特征线的方向影响很大，特征线的方向代表着曲面矢 量方向，如果特征线方向不正确，往往会得到不正确的曲面形式，甚至完全失 去实体原来的形状特征。而后者则相反，可以生成很高精度的曲面。因此本文 详细论述由点云拟合成二次曲面的方法。
多边形点云：测量点分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平面内距离 最小的若干相邻点依次连接可形成一组有嵌套的平面多边形。莫尔等高线测量、 工业ｃＴ、层切法、磁共振成像等系统的测量点云呈现多边形特征。
此外，测量点云按点的分布密度可分为高密度和低密度点云。ＣＭＭ的测量点 云为低密度点云，通常在几十到几千个点。而测量速度及自动化程度较高的光学 法和断层测量法获得的测量数据为高密度点云，一般可达几百万点。
本文的研究内容是详细论述了逆向］：程中点云处理的主要内容：包括对测 量数据的处理和抽象建模一特征线提取、曲面的拟合。
本文的主要贡献在于在分析、总结目前点云预处理的各方面内容后，尤其 是点云采样，边界特征提取，二次曲面拟合等方面提出了一些创新的想法和以 后的发展展望。
关键字：逆向工程；点云；点云处理：采样；边界特征；二次曲面：曲面拟合