逆向工程技术浅析

第19卷　第8期重　庆　工　学　院　学　报2005年8月Vol.19　No.8Journal of Chongqing I nstitute of Technol ogy Aug.2005

【车辆工程】

逆向工程技术浅析3

黎　勇a,刘　峰a,张明德b

(重庆工学院a.材料科学与工程学院;b.重庆汽车学院,重庆　400050)

摘要:逆向工程技术的3个主要设计工程是:样品的数字化、特征提取和CAD建模.样品的数字化

由各种接触式或非接触式数字化仪器来实现;特征提取通常分为数据分割和表面特征(如边缘曲

线)的提取;实体建模是按分割的数据点的形状来重构样品外形.阐述了各种样品数字化、数据分

割以及曲面构造的方法.

关键词:逆向工程;样品数字化;计算机辅助设计

中图分类号:TH122 文献标识码:A文章编号:1671-0924(2005)08-0016-04

On Reverse Eng i n eer i n g Technology

L I Yong a,L I U Feng a,ZHANG M ing2de b

(1.Chongqing I nstitute of Technol ogy a.School of Material Science and Engineering;

b.Chongqing I nstitute of Aut omobile,Chingqing,400050,China)

Abstract:Reverse engineering technol ogy involves three maj or design p r ojects,na mely,sa mp le digiti2 zati on,feature extracti on,and CAD modeling.Sa mp le digitizati on is realized thr ough a variety of con2 tact and non2contact digitalized devices.Feature extracti on falls int o the extracti on of data and the ex2 tracti on of surface characteristics(such as boundary curves).Part modeling is accomp lished by fitting variety of surface seg mented data points.This paper revie ws vari ous techniques for part digitizati on,seg2 mentati on and surface modeling.

Key words:reverse engineering;sa mp le digitizati on;CAD

在产品的开发、设计和制造工程中,工程技术人员所获得的技术资料并不完全,很多时候,是从上游厂家直接得到产品的实物模型,因此,设计人员需要通过一定的途径,将这些实物信息转化为CAD模型,这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering).所谓逆向工程技术,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程.逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别,它是从产品原型出发,进而获取产品的三维数字模型,使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及C I M S等先进技术对其进行处理.它的设计过程如图1所示.

1　样品数字化技术综述

逆向工程技术的3个主要设计工程是:样品的数字化、特征提取和CAD建模.创建样品三维

3收稿日期:2005-04-07

作者简介:黎勇(1975-),男,四川人,硕士,主要从事模具数字化制造的研究.

图1　逆向工程技术的主要设计过程

实体模型的首要工作是样品数字化.数字化处理的结果是获得保存为图像格式的二维或三维点云.光强图像、磁共振图像(MR I)以及热成像图像是几种常见的二维图像类型.光强图像(L I)是最常用的二维图像,它反映了一个景象上光强的变化程度.通常运用视觉系统来获得光强图像[1].光强图像是一个三维图像,通常被称为测程图像,它是一个景象上不同点景深信息的映射.测程图像数据由接触式或非接触式设备测得.非接触式测量方法指测头与测量样品没有实际接触的数据获取方法.包括以下几种[2]:

1)结构采光:用光源照射在样品表面,同时用一个探测器捕捉样品表面上光像.探测器的位置可以变化.光像可以是光柱、光条或者光栅格.

2)点测距:这种方法是用来确定某个点的范围和Z坐标值.用光源或者超声波照射在样品表面上,用探测仪捕捉样品表面反射光或者超声波.探测仪与光源或者超声波是同轴安装的.Z坐标可以通过对行进时间或者频调制的计算得到.X,Y 坐标由视觉系统得到.

3)焦距测程:这种方法是用聚焦距离来决定Z坐标,X,Y坐标同样由视觉系统得到.

4)组织测程:在捕捉图像时,观察到的组织等强干涉有效数随观察距离的增加而增大.如果扫描设备参考晶体组织来校准,那么组织对于确定数据采集的范围就非常有用.

5)立体扫描:这种方法通过2个摄像机在两个不同位置探测样品来得到Z坐标.用三角测量方法来找到测程信息.

坐标测量机(C MM)是最常用的接触式测量设备,用来提取样品表面的三维坐标.另一种接触式测量仪器是低量值电磁转换器,但仅限于测量非金属材料的样品.超声波成像也是一种接触式测量技术,一种“枪”的端口发出超声波信号与样品上的一个点接触.一串传感器组成的一个参考坐标系可以确定“枪”的端口位置,进而确定样品表面点的坐标.接触式测量速度比较慢,但是更准确;非接触式测量速度较快,但是测量精度要低一些.数字化的二维或者三维的数据用于样品CAD 模型的构建.

2　点云分割技术综述

对点云进行处理获得样品表面特征以便构造样品的三维模型,表面特征包括边界线和面片.三维数字化数据或测程数据的分割技术已经被众多学者所研究.这些分割算法都基于一个假设,那就是图像显示的曲面是相干的.Besl和Jain认为图像是一个分段光滑的曲面,推出了一种图像分割算法.这种算法被用于测程图像和光强图像.这种算法的第一阶段是把图像归为8种不同的简单曲面,它们是:峰面、坑面、脊面、马鞍脊面、谷面、马鞍谷面、平面和极小面.简单面的类型取决于高斯符号与平均曲率.这些简单面存在着某些固有特征,用来分类剖析任一给定曲面.第1阶段的输出结果是一个标记图像.从这个标记图像里边,提取出一个种子面,这个种子面用于第2阶段,即面的扩大.第2阶段是一个面迭代扩大过程.在这一阶段,种子面近似为1个双变量多项式曲面(自由度小于5).首先用一个一次多项式曲面(平面)来近似替代种子面.如果统计试验表明可行,种子面就在平面的基础上扩大,否则,用一个二次多项式曲面来近似替代种子面,如果可行,则种子面就以这种类型的曲面扩大,如果仍然不行,则用更高次的多项式曲面来尝试,直到曲面收敛或者所有多项式都不能替代种子面为止.Hoff man和Jain推出一种提取三维物体相连平面、凸面或凹面的方法.这种方法分为3个步骤.首先,测程图像被分割为很多曲面碎片.有4种不同的分组技术被用来形成曲面碎片.这4种分组技术是:最小生成树法、相互最近邻法、分层分组法和平方误差分组法.平方误差分组法用于探测测程图像的曲面碎片时要优于其他几种方法.其次是把曲面碎片归类为平面、凸面或者凹面.有3种不同的统计试验用于检测分类是否正确.这些统计试验有:无参趋势平面性试验、曲率平面性试验和本征值平面性试验.最后

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黎勇,等:逆向工程技术浅析